1

EELLEEKKTTRROOTTEECCHHNNIIKKAA

22

UUČČEEBBNNÍÍ TTEEXXTTYY

PPRROO VVÝÝUUKKUU EELLEEKKTTRROOTTEECCHHNNIICCKKÝÝCCHH OOBBOORRŮŮ

2

Obsah

1 ÚVOD ..............................................................................................................................10

1.1 Účinky elektrického proudu na lidský organizmus ...........................................................................................10

2 ZÁKLADNÍ POJMY A FYZIKÁLNÍ PRINCIPY.........................................................11

2.1 Elektrické veličiny ......................................................................................................................................................11

2.2 Díly a násobk y jednotek ............................................................................................................................................11

2.3 Stavba atomu, elektrický stav tělesa, elektronová teorie .................................................................................12

2.4 Elektrický náboj..........................................................................................................................................................13

2.5 Elektrický proud v kovech .......................................................................................................................................13

2.6 Rozdělení látek podle elektrické vodivosti ...........................................................................................................14

2.7 Elektrický potenciál, elektrické napětí, elektrický proud ...............................................................................16 2.7.1 Elektrický potenciál ........................................................................................................................................... 16 2.7.2 Elektrické napětí a proud .................................................................................................................................. 17

2.8 Měření stejnosměrného proudu a napětí .............................................................................................................17

2.9 Způsoby výroby elektrické energie (elektrické zdroje)....................................................................................18

2.10 Elektrický obvod a elektrický proud ...............................................................................................................20

2.11 Ochrana obvodů proti nadproudům a zkratům ...........................................................................................21 2.11.1 Základní pojmy ............................................................................................................................................. 21 2.11.2 Tavné pojistky ............................................................................................................................................... 22 2.11.3 Jističe............................................................................................................................................................... 26 2.11.4 Motorové spouštěče...................................................................................................................................... 28 2.11.5 Nadproudová relé.......................................................................................................................................... 29

2.12 Stejnos měrné a střídavé napětí ..........................................................................................................................29 Velikost střídavých veličin ............................................................................................................................................... 30

2.13 Řazení elektrických zdrojů .................................................................................................................................31 2.13.1 Sériové řazen í zdrojů .................................................................................................................................... 31 2.13.2 Paralelní řazení zdrojů ................................................................................................................................. 32 2.13.3 Kombinované řazení elektrických zdrojů ................................................................................................. 33

3 STEJNOSMĚRNÝ PROUD .........................................................................................33

3.1 Výkon a práce stejnos měrného proudu ................................................................................................................33 3.1.1 Elektrická práce .................................................................................................................................................. 33 3.1.2 Elektrické teplo ................................................................................................................................................... 34 3.1.3 Elektrický výkon ................................................................................................................................................ 35 3.1.4 Účinnost ............................................................................................................................................................... 35

3.2 Elektrický odpor .........................................................................................................................................................36

3.3 Ohmův zákon ...............................................................................................................................................................37 3.3.1 Úbytek napětí na vedení.................................................................................................................................... 37

3

3.3.2 Příklady na Ohmův zákon: ............................................................................................................................... 39

3.4 Rezistory........................................................................................................................................................................40 3.4.1 Parametry rezistorů ............................................................................................................................................ 40 Značení rezistorů ................................................................................................................................................................ 41 3.4.2 Vlastnosti rezistorů ............................................................................................................................................ 42

Potenciometry.........................................................................................................................................................................43

Odporové trimry....................................................................................................................................................................44 3.4.3 Zvláštní druhy rezistorů: termistor, varistor, fotorezistor, magnetorezistor ............................................ 44 Varistor ................................................................................................................................................................................ 45 Fotorezistor.......................................................................................................................................................................... 45 Magnetorezistor .................................................................................................................................................................. 45

3.5 Řazení rezistorů ..........................................................................................................................................................46

3.6 Kirchhoffovy zákony..................................................................................................................................................48 3.6.1 První Kirchhoffův zákon................................................................................................................................... 48 3.6.2 Druhý Kirchhoffův zákon ................................................................................................................................. 49 3.6.3 Příklady na Kirchoffovy zákony: .................................................................................................................... 50

3.7 Základní obvodové prvk y v silnoproudé elektrotechnice ................................................................................52 Rozdělení obvodových prvků podle způsobu použití .................................................................................................. 52 3.7.1 Spínací přístroje .................................................................................................................................................. 53 3.7.2 Signalizační přístroje ......................................................................................................................................... 53 3.7.3 Regulační p řístroje ............................................................................................................................................. 54 3.7.4 Spojovací přístroje ............................................................................................................................................. 54 3.7.5 Ostatní přístroje používané v elektrických obvodech .................................................................................. 54

3.8 Elektrické spínací přístroje ......................................................................................................................................56 3.8.1 Rozdělení spínacích přístrojů podle funkce ................................................................................................... 57 3.8.2 Hlavní části spínacích přístrojů........................................................................................................................ 57 3.8.3 Kontakty spínacích přístrojů ............................................................................................................................ 59 Rozdělení kontaktů podle funkce v obvodech: ............................................................................................................. 59 Kontakty přístrojů a zařízení pro n ízká napětí .............................................................................................................. 60 Kontakty přístrojů pro vysoká a velmi vysoká napětí.................................................................................................. 61 Stykový odpor..................................................................................................................................................................... 62 Oteplení kontaktů ............................................................................................................................................................... 62 Zásady konstrukčního provedení kontaktů .................................................................................................................... 62 Ryzí kovy používané na výrobu kontaktů...................................................................................................................... 63 Slitiny a spékané kovy pro výrobu kontaktů ................................................................................................................. 64 3.8.4 Zařízení pro zhášení oblouku ........................................................................................................................... 64

a) Vznik elektrického oblouku při zapínání .............................................................................................................64

b) Vznik elektrického oblouku při vypínání.............................................................................................................65

Způsoby zhášení elektrického oblouku ...........................................................................................................................66 Zhášení oblouku stejnosměrného proudu....................................................................................................................... 66 Zhášení oblouku střídavého proudu ................................................................................................................................ 66

3.9 Základní obvodové prvk y v elektronice ...............................................................................................................68 3.9.1 Cívky .................................................................................................................................................................... 69

Provedení cívek ......................................................................................................................................................................71 Výpočet indukčnosti cívek ............................................................................................................................................... 72 3.9.2 Transformátory ................................................................................................................................................... 73 3.9.3 Polovodičová dioda (přechod PN) .................................................................................................................. 74 Druhy diod........................................................................................................................................................................... 75

4

Hrotové diody...........................................................................................................................................................................75

Germaniové hrotové diody : ...............................................................................................................................................75

Diody se zlatým hrotem:......................................................................................................................................................76

Diody pro stabilizaci napětí:...............................................................................................................................................76

Zenerova dioda........................................................................................................................................................................76

Kapacitní diody: ......................................................................................................................................................................77

Diody pro velmi vysoké frekvence ....................................................................................................................................77

Schottkyho dioda : ..................................................................................................................................................................77

Dioda PIN : ..............................................................................................................................................................................78

Tunelová dioda : .....................................................................................................................................................................78

3.9.4 Tranzistory........................................................................................................................................................... 79 Bipolární tranzistory .......................................................................................................................................................... 80 Unipolárn í tranzistory........................................................................................................................................................ 82

TRANZISTOR ŘÍZENÝ ELEKTRICKÝM POLEM S PŘECHODOVÝM HRADLEM

- JFET ......................................................................................................................................82

TRANZISTOR MOS S INDUKOVANÝM KANÁLEM....................................................83 3.9.5 Tyristor................................................................................................................................................................. 84

3.9.6 Triak ..................................................................................................................................................................... 85 3.10.1 Diak ................................................................................................................................................................. 86 3.10.2 Integrovaný obvod ........................................................................................................................................ 87

4 ELEKTROCHEMIE .......................................................................................................90

4.1 Iontová vodivost, elektrolyt......................................................................................................................................90

4.2 Elektrolýza....................................................................................................................................................................91

4.3 Chemické články .........................................................................................................................................................91 4.3.1 Chemické články a životní prostředí............................................................................................................... 93

5 ELEKTROSTATICKÉ POLE .......................................................................................94

5.1 Elektrický náboj..........................................................................................................................................................94

5.2 Elektrické pole a síla ..................................................................................................................................................94

5.3 Intenzita elektrického pole .......................................................................................................................................95

5.4 Tělesa v elektrickém poli ..........................................................................................................................................95 5.4.1 Vodič v elektrickém poli (elektrostatická indukce) ..................................................................................... 96 5.4.2 Izo lant (dielekt rikum) v elektrickém poli ...................................................................................................... 96 5.4.3 Odstínění elekt rostatického pole ..................................................................................................................... 97

5

5.5 Coulombův zákon .......................................................................................................................................................97

5.6 Elektrická pevnost dielektrika ................................................................................................................................98

5.7 Kapacita, kondenzátor ..............................................................................................................................................98 5.7.1 Spojování kondenzátorů.................................................................................................................................... 99 5.7.2 Nabíjení a vybíjení kondenzátoru .................................................................................................................. 100

6 MAGNETICKÉ POLE, MAGNETICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK .......................... 101

6.1 Magnetické vlastnosti látek ................................................................................................................................... 101

6.2 Magnetické pole ....................................................................................................................................................... 102

6.3 Magnetické pole elektrického proudu ................................................................................................................ 102

6.4 Magnetický indukční tok ....................................................................................................................................... 103

6.5 Magnetomotorická síla........................................................................................................................................... 103

6.6 Hysterezní smyčka................................................................................................................................................... 104

6.7 Silové účinky magnetického pole ......................................................................................................................... 104

6.8 Elektromagnety a jejich praktické použití ....................................................................................................... 105 6.8.1 Elektromagnety na stejnosměrný proud ....................................................................................................... 105 6.8.2 Elektromagnety na střídavý proud ................................................................................................................ 106 6.8.3 Příklady použit í elektromagnetů, elektromagnetické p řístroje ................................................................. 107

7 ELEKTROMAGNETICKÁ INDUKCE...................................................................... 107

7.1 Lenzovo pravidlo ..................................................................................................................................................... 109

7.2 Indukčnost (vlastní indukčnost) .......................................................................................................................... 110

7.3 Vířivé proudy ............................................................................................................................................................ 111

7.4 Skin-efekt ................................................................................................................................................................... 111

7.5 Transformátory........................................................................................................................................................ 111 7.5.1 Popis transformátoru........................................................................................................................................ 113 7.5.2 Princip činnosti transformátoru ..................................................................................................................... 114 7.5.3 Indukované napětí a převod transformátoru ................................................................................................ 115 7.5.4 Návrh jednofázového transformátoru ........................................................................................................... 116 7.5.5 Ztráty v transformátoru ................................................................................................................................... 116 7.5.6 Konstrukce transformátorů ............................................................................................................................. 117 7.5.7 Autotransformátor ............................................................................................................................................ 120

7.6 Tlumivk y .................................................................................................................................................................... 122 7.6.1 Popis a funkce tlumivky .................................................................................................................................. 122 7.6.2 Reaktor ............................................................................................................................................................... 123 7.6.3 Transduktor ....................................................................................................................................................... 123

8 STŘÍDAVÝ PROUD ................................................................................................... 124

8.1 Veličiny střídavých proudů ................................................................................................................................... 124

6

8.2 Vznik střídavého proudu ....................................................................................................................................... 125

8.3 Efektivní hodnota střídavého proudu ................................................................................................................ 126

8.4 Střední hodnota střídavého proudu .................................................................................................................... 126

8.5 Fázory ......................................................................................................................................................................... 127

8.6 Obvody střídavého proudu ................................................................................................................................... 128

6.3.1 Obvod s rezistorem .................................................................................................................................................. 128

6.3.2 Obvod s cívkou .......................................................................................................................................................... 128

6.3.3 Obvod s kondenzátorem ......................................................................................................................................... 129

6.3.4 Složený obvod ............................................................................................................................................................ 130

8.7 Výkon střídavého proudu ...................................................................................................................................... 130 8.7.1 Činný výkon ...................................................................................................................................................... 130 8.7.2 Zdánlivý výkon................................................................................................................................................. 131 8.7.3 Jalový výkon ..................................................................................................................................................... 131 8.7.4 Trojúhelník výkonů.......................................................................................................................................... 131 8.7.5 Účin ík ................................................................................................................................................................. 132 8.7.6 Kompenzace jalového výkonu (účiníku) ...................................................................................................... 132 8.7.7 Sérioparaleln í obvody...................................................................................................................................... 133 8.7.8 Rezonanční obvody.......................................................................................................................................... 133

9 TROJFÁZOVÝ PROUD............................................................................................. 139

9.1 Spojení trojfázového vinutí do hvězdy ............................................................................................................... 140

9.2 Hlavní části rozvodné soustavy ............................................................................................................................ 140

9.3 Elektrické přístroje vn a vvn ................................................................................................................................ 141

9.4 Ochrana vedení ........................................................................................................................................................ 142

9.5 Elektrické rozvodné soustavy ............................................................................................................................... 143

9.6 Přenos elektrické energie střídavým proudem ................................................................................................ 144

9.7 Výkon a práce trojfázové soustavy ..................................................................................................................... 145

9.8 Trojfázové transformátory ................................................................................................................................... 146 9.8.1 Zapojení trojfázových vinutí .......................................................................................................................... 146 9.8.2 Hodinový úhel transformátoru ....................................................................................................................... 147

9.9 Točivé elektromagnetické pole ............................................................................................................................. 150 9.9.1 Princip vzn iku točivého pole.......................................................................................................................... 150

9.10 Točivé stroje ......................................................................................................................................................... 155 9.10.1 Synchronní stroje ........................................................................................................................................ 155 Princip činnosti a provozní v lastnosti........................................................................................................................... 156 Konstrukce. ....................................................................................................................................................................... 158 Vlastnosti ........................................................................................................................................................................... 160

Úvod k asynchronním strojům ....................................................................................................................................... 161 Hlavní části........................................................................................................................................................................ 162

7

Stator .................................................................................................................................................................................. 162 Rotor motoru s kotvou nakrátko .................................................................................................................................... 163 Rotor motoru s kotvou vinutou ...................................................................................................................................... 163

Porovnání funkce asynchronních a synchronních strojů ................................................................................... 164 Motory s kotvou nakrátko............................................................................................................................................... 165 Spouštění asynchronních motorů s kotvou nakrátko ................................................................................................. 167

Motory s kotvou vinutou (kroužkovou) ....................................................................................................................... 169 Konstrukce motoru........................................................................................................................................................... 169 Princip činnosti a provoz ................................................................................................................................................ 170 Rozběh motoru s vinutou kotvou (rotorové spouštění) ............................................................................................. 170 Použit í motorů s vinutou kotvou ................................................................................................................................... 172 9.10.2 Řízení otáček asynchronních motorů ...................................................................................................... 172 Řízení otáček změnou skluzu ......................................................................................................................................... 172 Řízení otáček změnou počtu pólů ................................................................................................................................. 173

Provoz trojfázového motoru na jednofázové střídavé napětí ................................................................................. 176

9.11 Trojfázové derivační komutátorové motory ............................................................................................... 178 9.11.1 Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do statoru......................................................... 178 9.11.2 Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do rotoru .......................................................... 179

10 ELEKTROPNEUMATIKA, ELEKTROHYDRAULIKA...................................... 180

10.1 Prvky elektropneumatických obvodů ........................................................................................................... 180 10.1.1 Tlačítkové spínače ...................................................................................................................................... 180 10.1.2 Koncové spínače ......................................................................................................................................... 181 10.1.3 Bezdotykové (bezkontaktní) snímače ..................................................................................................... 181 10.1.4 Elektromagnetické relé .............................................................................................................................. 182 10.1.5 Časová relé ................................................................................................................................................... 184 10.1.6 PE měnič....................................................................................................................................................... 184

10.2 Zdroje tlak ového vzduchu a kapaliny .......................................................................................................... 185 10.2.1 Kompresory ................................................................................................................................................. 186 10.2.2 Objemové kompresory – s přímočarým pohybem ................................................................................ 186 10.2.3 Objemové kompresory - s rotačním pohybem....................................................................................... 187 10.2.4 Proudové kompresory ................................................................................................................................ 188 10.2.5 Vzdušníky .................................................................................................................................................... 188

11 ELEKTRONICKÁ ZAŘÍZENÍ ................................................................................ 188

11.1 Obvodové součástky .......................................................................................................................................... 188 11.1.1 Dělen í obvodových součástek .................................................................................................................. 188

11.2 Us měrňovače ........................................................................................................................................................ 190 11.2.1 Jednocestný (jednofázový, jednopulsní) usměrňovač .......................................................................... 190 11.2.2 Dvoucestný (můstkový) usměrňovač s odporovou zátěží.................................................................... 191 11.2.3 Dvoucestný uzlový usměrňovač s odporovou zátěží ............................................................................ 192 11.2.4 Jednocestný usměrňovač se sběracím kondenzátorem (nabíjecím) ................................................... 193 11.2.5 Dvoucestný usměrňovač se sběracím kondenzátorem ......................................................................... 193 11.2.6 Zapojení usměrňovače se souměrným sekundárním vinutím síťového transformátoru se sběracím

kondenzátorem.................................................................................................................................................................. 194 11.2.7 Třífázový jednocestný usměrňovač ......................................................................................................... 194

11.3 Zesilovače .............................................................................................................................................................. 194 11.3.1 Zpětná vazba ................................................................................................................................................ 195

8

11.4 Oscilátory.............................................................................................................................................................. 195 11.4.1 Oscilátory LC .............................................................................................................................................. 197 11.4.2 Oscilátory řízené krystalem....................................................................................................................... 199 11.4.3 Oscilátory RC .............................................................................................................................................. 201

11.5 Klopné a spínací obvody ................................................................................................................................... 202 11.5.1 Astabilní klopný obvod AKO:.................................................................................................................. 203 11.5.2 Monostabilní klopný obvod MKO ........................................................................................................... 204 11.5.3 Bistabilní klopný obvod BKO .................................................................................................................. 205

11.6 Číslicová technika............................................................................................................................................... 205 11.6.1 Logické operace (členy) ............................................................................................................................ 206 11.6.2 OR (Disjunktor) .......................................................................................................................................... 207 11.6.3 NAND (Shefferova funkce) ...................................................................................................................... 208 11.6.4 XOR .............................................................................................................................................................. 209 11.6.5 XNOR ........................................................................................................................................................... 209 11.6.6 Realizace logických obvodů ..................................................................................................................... 209

11.7 Rozhlasová a televizní technika ...................................................................................................................... 210 11.7.1 Přenos televizn ího a rozhlasového signálu el. magnetickým vlněním .............................................. 210

Elektromagnetické vlny .................................................................................................................................................... 210 11.7.2 Princip rád iového vysílání......................................................................................................................... 211 11.7.3 Amplitudová modulace (AM) ................................................................................................................... 212 11.7.4 Kmitočtová (frekvenční) modulace (FM) ............................................................................................... 212

11.8 Slaboproudé rozvody a instalace .................................................................................................................... 212

12 OPTOELEKTRONIKA ........................................................................................... 214

12.1 Přenos světla optickým vláknem .................................................................................................................... 214

12.2 Útlum optického vlákna.................................................................................................................................... 215

A. Mnohavidová vlákna (MM, multimode) ........................................................................................................... 216

B. Jednovidová vlákna (S M, singlmode) ................................................................................................................ 216

12.3 WDM – vlnový multiplex ................................................................................................................................. 217

12.4 Pigtaily................................................................................................................................................................... 218

12.5 Konektory............................................................................................................................................................. 219

12.6 Patch Cordy a další příslušenství ................................................................................................................... 220

12.7 Optické skříně, rozvaděče, vany a kazety .................................................................................................... 221

12.8 Svařování .............................................................................................................................................................. 224

12.9 Instalace optických kabelů ............................................................................................................................... 224

12.10 Výhody optických vláken ................................................................................................................................. 227

POUŽITÉ ZDROJE ............................................................................................................ 228

9

Předmluva

Učební texty, které se Vám právě dostaly do rukou, jsou určeny pro výuku elektrotechniky v druhém ročníku střední školy a to především v učebních oborech. Jedná se o ucelený soubor základních znalostí, které jsou nosnou kostrou tohoto předmětu. Texty byly

psány tak, aby učivo na sebe postupně navazovalo a vycházelo z již nabytých poznatků z prvního ročníku. Tyto poznatky dále rozvíjí, prohlubuje a upevňuje prostřednictvím mnoha

ukázkových úloh a příkladů. V učebních textech jsou prohlubovány základní pojmy a vztahy z oblasti stejnosměrného proudu, elektrostatiky, magnetizmu, elektrochemie a střídavého proudu. Navíc zde najdeme základy zcela nového učiva jako je elektropneumatika,

elektrohydraulika a elektronická zařízení

10

1 Úvod

1.1 Účinky elektrického proudu na lidský organizmus

Lidské tělo je řízeno elektrickým proudem (nervové vzruchy, srdeční činnost…)

působení stejnosměrného proudu je nebezpečnější než působení proudu střídavého. Při působení stejnosměrného proudu je větší pravděpodobnost tzv. fibrilace srdce a rozklad tělních tekutin vlivem elektrolýzy.

Účinek závisí na:

druhu proudu

velikosti proudu

frekvenci

impedanci lidského těla (v průměru 2MΩ)

dráze, po které el. proud působí

době průchodu

na vnitřním stavu organizmu

velikosti dotykového napětí

Fyziologické účinky dle velikosti el. proudu:

do 4 mA brnění a pálení

4 mA – 7 mA trnutí dlaní a rukou až křeče

10 mA – 25 mA křeče a nemožnost uvolnění se z obvodu

do 60 mA bolestivé křeče a nepravidelnost svalstva

nad 100 mA nepravidelná činnost srdce a zástava

Za relativně bezpečný proud lze považovat střídavý proud do 3,5 mA a stejnosměrný proud do 10 mA.

Od 30 mA střídavého a 120 mA stejnosměrného proudu dochází k vážnému poškození organizmu!

Záchranný postup při úrazu elektrickým proudem:

1. Vyprostit postiženého z dosahu elektrického proudu – pokud to jde, vypneme přívod

elektřiny nebo použijeme izolovaný předmět, kterým postiženého dostaneme z dosahu účinků el. proudu. (Dbáme především na svoji bezpečnost.)

2. Zjistíme, zda postižený dýchá a má hmatný pulz. Pokud ne, zahájíme umělé dýchání,

popřípadě srdeční masáž.

3. Přivoláme pomoc a s oživováním nepřestáváme.

11

2 Základní pojmy a fyzikální principy

2.1 Elektrické veličiny

veličina Značka jednotka značka

Elektrický náboj Q coulomb C

Elektrický proud I ampér A

Elektrické napětí U volt V

Frekvence F hertz Hz

Perioda T sekunda s

Elektrická práce W joule J

Elektrický výkon P watt W

Elektrický odpor R ohm

Elektrická vodivost G siemens S

Elektrická kapacita C farad F

Indukčnost L henry H

Reaktance X ohm

Impedance Z ohm

Admitance Y siemens S

2.2 Díly a násobky jednotek

V elektrotechnice, elektronice, ale i jiných oborech, kde je potřeba vyjadřovat hodnoty mnohokrát větší nebo menší než je základní jednotka, používáme předpony.

předpona značka Význam

díly:

mili m 0,001 10-3

mikro µ 0,000 001 10-6

nano n 0,000 000 001 10-9

piko p 0,000 000 000 001 10-12

násobky:

kilo k 1 000 103

mega M 1 000 000 106

giga G 1 000 000 000 109

tera T 1 000 000 000 000 1012

12

2.3 Stavba atomu, elektrický stav tělesa, elektronová teorie

Látky (pevné, kapalné i plynné) jsou složeny z molekul a atomů. Na obrázku je

nakreslený zjednodušený model atomu, který se skládá z kladně nabitého jádra a záporně nabitých elektronů, obíhajících kolem jádra po kruhových nebo eliptických dráhách (přesněji

řečeno – vrstvách, sférách nebo slupkách). V jádře atomu se nachází kladné protony, neutrální (tj. nenabité) neutrony, případně další částice. Jeden proton i jeden elektron mají stejně veliký náboj, ale opačné polarity. Říkáme mu elementární náboj e = 1,6.10-19 C. Atom má stejný

počet kladně nabitých protonů v jádru jako elektronů v obalu. Účinky kladných a záporných nábojů se proto navzájem ruší a navenek se atom jeví jako elektricky neutrální.

Model atomu lithia

Chybí-li atomu jeden nebo více elektronů, stává se z něj kladně nabitý iont, tzv.

kationt. Přijme-li neutrální atom elektrony navíc, stane se z něj záporně nabitý iont, tzv. aniont. V poslední – vnější slupce (dráze) atomů prvků může obíhat maximálně 8 elektronů

(kromě H a He, které mají pouze 1, resp. 2 elektrony umístěné v první a současně poslední dráze). Osm elektronů v poslední dráze však mají pouze tzv. inertní nebo vzácné plyny, ostatní prvky mají tento počet menší než 8. Elektrony umístěné v poslední (vnější) vrstvě

se nazývají valenční elektrony a jejich prostřednictvím se uskutečňuje vazba mezi atomy v molekule látky. Molekuly nebo částice látky, složené ze dvou nebo více atomů se vytváří

tak, aby vnější vrstvy elektronů byly plně obsazeny, tedy měly 8 elektronů. Vlivem vnějších sil se mohou valenční elektrony uvolnit a putují kovem jako tzv.

volné elektrony . Podle elektronové teorie tyto volné elektrony vedou elektrický proud kovem.

Kationt

13

Hmotnost elektronu je asi 9.10-31 kg. Hmotnost protonu je asi 1840 krát větší než

elektronu. Elektrony obíhají kolem jádra v relativně velké vzdálenosti velkou rychlostí. Přitom se elektrony ještě otáčejí kolem své osy. Tomuto pohybu říkáme spin. Tato skutečnost

bude využita při posuzování magnetických vlastností látek. Kladné protony jsou v jádře udržovány tzv. jaderními sílami. Síly, které udržují pohromadě atom, jsou elektrické povahy. Velmi zjednodušeně se dá říci, že na pohybující se elektrony (po otáčivých dráhách) působí

odstředivá síla, která je kompenzována elektrickou (coulombovskou) přitažlivou sílou mezi kladným jádrem a zápornými elektrony.

2.4 Elektrický náboj

Elektrický náboj je fyzikální veličina, která vyjadřuje velikost schopnosti působit elektrickou silou; elektrický náboj vyjadřuje určitou vlastnost částic, která je spojována se vznikem vzájemného působení mezi tělesy (částicemi) podobným způsobem, jako je hmotnost spojována s existencí gravitačního pole. Přítomnost elektrického náboje je tedy

nutná pro vznik elektrického nebo magnetického pole.

Tělesa (částice) s nulovým elektrickým nábojem se nazývají elektricky neutrálními

tělesy. Tělesa (částice) s elektrickým nábojem (říkáme o nich, že nesou elektrický

náboj), se označují jako nabitá tělesa. Elektrický náboj může mít kladnou nebo zápornou hodnotu. O tělesech nesoucích

kladný náboj říkáme, že jsou kladně nabitá, a tělesa se záporným elektrickým

nábojem označujeme jako záporně nabitá. Síly působící mezi dvěma nabitými (nepohybujícími se) tělesy jsou přitažlivé, jestliže

mají tělesa náboje s opačnými znaménky, a odpudivé, pokud mají tělesa náboje se shodnými znaménky. Tyto síly se označují jako elektrostatické. Pohybující se nabitá tělesa na sebe navíc působí magnetickými silami. Pohybující se elektrický

náboj je popisován pomocí elektrického proudu. Pokud se v tělese nachází více elektrických nábojů, je výsledný elektrický náboj tělesa

roven algebraickému součtu elektrických nábojů jednotlivých částí. Některá tělesa mohou obsahovat nositele kladného i záporného náboje (často

ve velkém množství), přičemž celková hodnota elektrického náboje takového tělesa

může být nulová, tzn. těleso jako celek je elektricky neutrální. Přestože je celkový elektrický náboj tělesa nulový, bude i takové těleso působit na své okolí určitými

elektrickými silami. Elektrické náboje, které se mohou volně pohybovat (např. ve vodičích), se označují

jako volné náboje. Při polarizaci dielektrika se objevuje také polarizační náboj.

Polarizační náboje se na rozdíl od nábojů ve vodičích nemohou v dielektriku přemisťovat na makroskopické vzdálenosti. Proto bývají označovány jako vázané

náboje. Celková hodnota vázaných nábojů vzniklých polarizací v celém objemu tělesa je vždy nulová.

2.5 Elektrický proud v kovech

Atomy kovů mají v poslední dráze pouze 1 až 3 elektrony, které jsou k jádru vázány

slaběji a mohou se snadno uvolnit a putovat kovem jako tzv. volné elektrony, které mohou

14

vést elektrický proud. Nepůsobí-li na ně vnější napětí, pohybují se uvnitř krystalové mřížky

vodiče chaoticky.

Volné elektrony ve vodiči

2.6 Rozdělení látek podle elektrické vodivosti

Schopnost látek vést elektrický proud závisí na jejich vnitřní stavbě. Čím méně překážek bude stát v cestě pohybujícím se elektronům, tím menší bude odpor materiálu

kladený průchodu elektrického proudu a tedy i lepší (větší) vodivost. Podle hodnot vodivosti (resp. odporu, což je převrácená hodnota vodivosti) rozdělujeme látky na: a) vodiče

Jsou to většinou kovy. Elektrický proud vedou volné elektrony. V elektrotechnice mají velmi široké využití. Dobré vodiče se používají např. k výrobě „vodičů“ pro rozvod elektrické

energie, cívek transformátorů apod. Z vodičů s menší (horší) vodivostí se zhotovují drátové rezistory, topné spirály vařičů, kamen nebo pecí, vlákna žárovek apod. Nejlepší vodič (při pokojové teplotě ) je stříbro; dále následují měď, zlato, hliník a další.

b) Elektrický proud vedou též ionty ionizovaných plynů, např. v elektrických obloukových pecích, při obloukovém svařování, v zářivkách a výbojkách apod.

c)elektrolyty Jsou to kapalné vodiče – většinou roztoky kyselin, zásad a solí ve vodě. Elektrický proud vedou ionty prvků a sloučenin disociovaných (rozštěpených) ve vodě.

c) izolanty

Elektrický proud nevedou vůbec nebo jenom velmi špatně, (často se jim říká také

„nevodiče“). Mohou to být pevné látky, kapaliny nebo i plyny. Používají se nejčastěji k oddělení (odizolování) různých částí elektrických zařízení nebo částí elektrických zařízení „pod napětím“ od částí s kterými může přijít do styku člověk. Další jejich použití je jako

dielektrikum v kondenzátorech apod. Nejčastěji jako izolanty využíváme plasty (např. PVC), slídu, sklo, keramické látky. K tekutým izolantům řadíme parafín a oleje. Výborným

izolantem je vakuum a suchý vzduch. Dokonalý izolant však neexistuje, neboť v látkách jsou vždy nějaké nečistoty. d) polovodiče

Jsou to látky, které se za určitých podmínek chovají jako izolanty, ale při změně těchto podmínek se mohou chovat spíše jako vodiče a elektrický proud jimi může procházet.

K nejběžnějším polovodičům patří křemík Si a germánium Ge. I když mohou polovodiče více či méně vést elektrický proud, jejich vlastnosti se výrazně liší například od kovových vodičů:

15

Kovové vodiče:

mají malý měrný odpor elektrický proud vedou pouze

volné elektrony v krystalové mřížce je velký počet

volných elektronů

při zahřátí se zvětšuje jejich odpor osvětlení nemá vliv na jejich

vodivost příměsi zvětšují jejich měrný

odpor

Polovodiče:

mají mnohem větší měrný odpor proud vedou uvolněné elektrony

a kladné "díry" počet uvolněných elektronů se

může měnit změnou vnějších

podmínek při zahřátí se zmenšuje jejich

odpor při osvětlení se zmenšuje jejich

odpor

vhodné příměsi výrazně zmenšují jejich měrný odpor a mění typ

vodivosti

Zvláštní elektrické vlastnosti polovodičů jsou způsobeny stavbou jejich krystalové

mřížky. Ukážeme si to na příkladu krystalové mřížky čtyřmocného křemíku se čtyřmi

valenčními elektrony. Při nízké teplotě a ve tmě jsou valenční elektrony silně poutány k jádru a křemík proud nevede (obrázek vlevo). Při zvýšení teploty nebo osvětlení se mohou některé

valenční elektrony z krystalové mřížky uvolnit (obrázek vpravo). Na místě uvolněného elektronu chybí záporný náboj a toto prázdné místo se nazývá "díra". Chybějící záporný náboj se navenek projeví jako náboj kladný. Na místo "díry" může přeskočit jiný uvolněný

elektron a chybějící záporný náboj tak nahradit. Dojde k jevu, zvanému rekombinace. Původní kladná "díra" zanikne, ale objeví se na místě, odkud k ní elektron přeskočil. Navenek

to vypadá, jakoby se v krystalové mřížce "díry" chaoticky stěhovaly z místa na místo.

Připojíme-li však k tomuto polovodiči vnější napětí, začnou se záporné elektrony

přesouvat ke kladnému pólu a kladné díry k pólu zápornému. Dojde k usměrněnému pohybu nábojů, polovodičem začne procházet elektrický proud. Pokud v polovodiči vedou elektrický proud elektrony a "díry" vzniklé výše popsaným způsobem, hovoříme o vlastní vodivosti.

16

Polovodiče typu N a P

Mnohem větší využití než čisté polovodiče však mají polovodiče, v jejichž krystalové mřížce je při výrobě umístěno nepatrné množství vhodných příměsi. Výběrem příměsi

můžeme dosáhnout toho, aby v polovodiči byl elektrický proud veden buď volnými elektrony (elektronová vodivost, vodivost typu N), nebo "děrami" (děrová vodivost, vodivost typu P).

Vodivost typu N (negativní): V krystalu křemíku jsou některé atomy nahrazeny pětimocnými

atomy, např. fosforu nebo arzenu. Jejich čtyři valenční elektrony se účastní vazeb, ale páté se již v chemických vazbách nemohou uplatnit.

Jsou velmi slabě vázané a již při nízkých teplotách se z vazeb uvolní. Tyto volné elektrony způsobují po připojení zdroje elektronovou

vodivost polovodiče typu N.

Vodivost typu P (pozitivní): Zabudují-li se do krystalové mřížky křemíku atomy trojmocného

prvku se třemi valenčními elektrony, např. india, chybí pro obsazení všech chemických vazeb elektrony. V místě nenasycené vazby vznikne

"díra" s kladným nábojem. Tuto "díru" může zaplnit elektron z některé jiné vazby a "díra" se v krystalu přesune na jeho místo. Po připojení zdroje vznikne děrová vodivost polovodiče typu P.

2.7 Elektrický potenciál, elektrické napětí, elektrický proud

2.7.1 Elektrický potenciál

Jestliže přemisťujeme elektrický náboj prostřednictvím elektrické síly, konáme práci, a tím se mění potenciální energie náboje. Při přemístění ve směru působení elektrické síly se

potenciální energie náboje zmenšuje (podobně jako se zmenšuje potenciální energie tělesa např. při volném pádu). Při pohybu náboje proti elektrické síle se naopak jeho potenciální

energie zvětšuje (obdobou je zvedání tělesa v tíhovém poli). V každém bodě elektrického pole má tedy bodový náboj určitou potenciální energii. To umožňuje zavést jednotku elektrický potenciál φ. Elektrický potenciál je určen potenciální energií Ep, tedy prací, kterou musíme

vykonat při přenesení náboje q z místa tzv. nulového potenciálu do určitého bodu.

Jednotkou potenciálu je volt (J C–1 = V), který je pojmenovaný po ALESSANDRU

VOLTOVI.

Pro elektrické pole volíme za místo s nulovou potenciální energií (a tedy i s nulovým

potenciálem) povrch Země, popř. vodič spojený s povrchem Země (tzv. uzemnění). Má-li těleso vyšší potenciál než země, říkáme, že má potenciál kladný. Má-li naopak těleso nižší

potenciál než země, říkáme, že má potenciál záporný. Mezi místy s různým potenciálem

vznikáelektrické napětí, které je rozdílem potenciálů. Napětí mezi vzniklými náboji nemusí být zanedbatelné. V následující tabulce jsou

hodnoty různých napětí vůči Zemi.

17

Sníh ve vánici 65 V

Jízda automobilu po betonové vozovce 3000 V

Svlékání šatů z umělých vláken 10 000 V

Barvení předmětů stříkáním 10 000 V Chůze po bavlněném koberci 14 000 V

Běh koženého hnacího hřebene 80 000 V

(Uvedené hodnoty se mohou zdát ve srovnání s napětím v naší elektrické síti značné, ohromné a nebezpečné.

Záleží však i na hustotě elektrických nábojů a ta je v těchto případech velmi malá. Proto se např. svlékání šatů

z umělých vláken při napětí až 10 kV projeví jen jako slabé praskání.)

2.7.2 Elektrické napětí a proud

Při oddělení elektrických nábojů (např. elektronu od atomu, resp. jádra atomu) vznikne

mezi náboji elektrické napětí, které má snahu spojit zpět oddělené náboje. Elektrické napětí mezi náboji je práce vynaložená na oddělení jednotek těchto nábojů.

Elektrické napětí značíme U a jednotkou je jeden volt V.

Elektrický proud v uzavřeném obvodu je důsledkem toho, že náboje oddělené ve zdroji vyrovnávají nerovnováhy na pólech zdroje tím, že proudí elektrony z minus pólu (s nedostatkem elektronů) přes spotřebič.

Elektrický proud v kovovém vodiči je uspořádaný pohyb volných elektronů.

Elektrický proud značíme I a jednotkou je jeden ampér A.

2.8 Měření stejnosměrného proudu a napětí

Většina elektrických veličin lze přímo či nepřímo nějakým způsobem změřit. To platí i o proudu a napětí.

Elektrické napětí, jehož jednotkou je volt, měříme přímo voltmetrem. Voltmetr k obvodu zapojujeme paralelně ke spotřebiči. Z toho vyplývá, že vnitřní odpor voltmetru musí být co největší, aby neovlivnil obvod a tím i měřené hodnoty.

Elektrický proud, jehož jednotkou je ampér, měříme přímo ampérmetrem. Ampérmetr

do obvodu zapojujeme sériově. Tzn. přerušíme obvod v místě, kde potřebujeme změřit el. proud a do něj přímo zapojíme ampérmetr. Z toho vyplývá, že vnitřní odpor ampérmetru musí být co možná nejmenší, tak aby neovlivnil měřenou hodnotu.

18

Zapojení voltmetru Zapojení ampérmetru

2.9 Způsoby výroby elektrické energie (elektrické zdroje)

Ve zdrojích elektrického napětí jsou od sebe oddělovány elektrické náboje. Na svorkách

zdroje přitom vzniká přebytek, respektive nedostatek elektronů. Svorka s přebytkem elektronů je nabita záporně (minus pól) a svorka s nedostatkem elektronů je nabita kladně (plus pól). Elektrické napětí se udává vždy jako napětí mezi dvěma body.

Vznik elektrického napětí

Způsob vzniku napětí Příklady použití

indukce

Při pohybu magnetu v cívce sem a tam se mění magnetické pole

v cívce tak, že se indukuje střídavé napětí.

Tento princip je základem točivých generátorů.

generátory elektráren,

alternátor v autě,dynamo na jízdním kole, indukční

snímače, dynamický mikrofon

chemické působení

Mezi rozdílnými kovy (elektrodami) ve vodivé

kapalině – elektrolytu, vzniká stejnosměrné napětí. Takové

uspořádání se nazývá galvanický článek.

elektrochemické

zdroje napětí: monočlánky,

baterie, akumulátory

19

teplo

Při ohřívání kontakt dvou různých kovů dochází k tepelnému

pohybu volných elektronů od lepšího

vodiče k horšímu vodiči. Toto je princip termočlánku.

termoelektrické články

k měření teploty, kontaktní teploměry, čidla pro dálkové

měření

světlo

Ve fotočlánku vznikají při osvětlení v tenké

křemíkové destičce volné elektrony, které jsou přitahovány k jedné

straně vnitřní závěrné vrstvy křemíkové

destičky.

fotočlánky

pro napájení satelitů, kalkulátorů,

hodinek, radarů, horských chat, fotovoltaické

elektrárny

stlačování krystalu

U mnohých krystalů vyvolává tlak elektrické

napětí. Tento jev se nazývá piezoelektrický efekt.

piezoelektrické

krystaly

gramofonové

snímače,krystalové mikrofony, zapalovače, tlakové snímače

tření

Vysoká napětí vznikají

při tření izolantů pevné fáze nebo při tření proudících izolačních

tekutin, např. oleje.

elektrostatická

nabíjení

většinou nechtěné při utírání prachu, v dopravních

prostředcích nebo chtěné jako například

v generátoru bleskových napětí

fyziologické zdroje

Elektrické napětí je součástí každé nervové

soustavy, slabé elektrické výboje

vznikají chemickou reakcí v části neuronu.

přenos informací v nervové soustavě, obranné a útočné

mechanizmy některých živočichů (elektrický

úhoř)

20

2.10 Elektrický obvod a elektrický proud

Nejjednodušší elektrický obvod je takový obvod, který obsahuje jen jeden zdroj napětí

a spotřebič, které jsou navzájem spojené vodiči. Aby bylo možné proud v obvodu přerušit, je do obvodu zapojen ještě spínač. K znázornění elektrických obvodů využíváme

elektrotechnická schémata. Zdroj napětí má kladný pól (anodu) a záporný pól (katodu) a v ostatních částech

obvodu vytváří elektrické pole, které uvádí volné elektrony do usměrněného pohybu.

Nejstarší zdroje napětí jsou elektrochemické zdroje (suchý článek, plochá baterie, akumulátor). V nichž se chemická energie mění v elektrickou energii.

Schéma jednodchého el. obvodu Jednoduchý el. obvod

Elektrický spotřebič je zařízení, v němž se elektrická energie účelně mění v jinou energii, např. v energii světelnou v žárovce. Spojovací vodiče spojují zdroj napětí s elektrickým

spotřebičem a spínačem. V elektrotechnice se používají převážně vodiče měděné a hliníkové, které jsou chráněny izolačním obalem z gumy nebo PVC. Spínače slouží k uzavření nebo přerušení obvodu. Sepnutím spínače uvádíme spotřebič do činnosti, jeho vypnutím činnost

spotřebiče ustane. Otevřený obvod – je to elektrický obvod, kterým neprotéká elektrický proud, jelikož je

obvod někde přerušen (nejčastěji spínačem). Uzavřený obvod – je to elektrický obvod, kterým protéká elektrický proud.

Stejnosměrný elektrický proud podle „dohody“ teče od kladného pólu zdroje k zápornému, kdežto elektrony se ve skutečnosti pohybují od záporného pólu zdroje ke kladnému. Říkáme

tedy, že elektrický proud teče proti směru pohybu elektronů. Ve schématech značíme el. proud uzavřenou šipkou, kdežto el. napětí otevřenou.

Do elektrického obvodu zapojujeme často přístroje k měření proudu a napětí. Viz. předchozí kapitola.

21

2.11 Ochrana obvodů proti nadproudům a zkratům

2.11.1 Základní pojmy

2.11.1.1 Nadproud

Nadproud je stav, při kterém v elektrickém obvodu protéká větší proud, než na který je

dimenzován. Trvalý nadproud vede k nadměrnému zahřívání vodičů, svorek, přístrojů a spotřebičů, které se mohou poškodit. Nadproud může vzniknout v zásuvkovém obvodu,

na který připojíme spotřebiče s větší spotřebou. Například na zásuvkový obvod jištěný 16A jističem nebo pojistkou připojíme spotřebiče, které současně odebírají proud 25A. Ze spotřebičů lze proudově přetížit elektromotor tím, že jej mechanicky zatížíme větším

výkonem. Čím je nadproud větší, tím musí být doba vypnutí kratší. Nadproud také vzniká při spouštění motorů, které musíme jistit pojistkami nebo jističi s tzv. pomalejší vypínací

charakteristikou. Ve světelných obvodech a u dalších spotřebičů může vzniknout nadproud pouze v případě poruchy.

2.11.1.2 Zkrat

Zkrat vznikne, spojí-li se vodiče s odlišným potenciálem, například vodiče různých fází, fázový a střední vodič, fázový a ochranný vodič, kladný a záporný vodič stejnosměrného

obvodu atd. Zkraty v praxi vznikají v případech, kdy vlivem přehřátí vodičů, svorek nebo částí elektrických přístrojů a spotřebičů dojde k poškození izolací a následnému spojení vodivých částí s různým potenciálem. Ke zkratu může dojít také přes zuhelnatělou část

izolace. Zkraty rovněž mohou vzniknout při mechanickém poškození elektrického zařízení.

Charakteristika jisticího přístroje

Udává závislost času vypnutí jistícího prvku na velikosti proudu. Z charakteristiky určíme, za jak dlouhou dobu jistící prvek vypne při konkrétním

nadproudu. Jistící prvky trvale vydrží dílčí proudové přetížení, které např. u jističů činí 13%.

Vypínací proud

Jedná se o hodnotu proudu, který způsobí vypnutí předřazeného jistícího prvku v předepsané

době. Tato hodnota je dána charakteristikou jistícího prvku (např. u jističů B, C, D).

Vypínací schopnost

Vypínací schopnost je parametr, který udává hodnotu předpokládaného zkratového

proudu, kterou musí přístroj bez poškození odpojit.

2.11.1.3 Selektivita jištění

Selektivitou jištění rozumíme takové nastavení charakteristik ochran jisticích přístrojů,

aby při poruše určitého elektrického obvodu byl jisticím přístrojem odpojen pouze tento obvod, a to bez vypnutí ostatních nadřazených jisticích prvků. Musí být zachována funkčnost

ostatních elektrických rozvodů. Zjednodušeně můžeme říci, že hodnoty jistících prvků (v závislosti na vypínacích charakteristikách) musí směrem od přívodu energie ke spotřebiči klesat.

22

Podle rozsahů proudů, pro které platí výše uvedený princip selektivity, se rozlišuje selektivita

plná nebo částečná. Při plné selektivitě vypíná jisticí přístroj v obvodu celý rozsah proudů od přetížení až po zkraty, zatímco předřazený jisticí přístroj zůstává zapnutý. Při částečné

selektivitě neplatí princip selektivity pro plný rozsah proudů, ale pouze pro nižší hodnoty proudu nazývané mez selektivity.

2.11.2 Tavné pojistky

Princip funkce pojistky

Tavné pojistky chrání elektrická vedení, zařízení nebo obvody před poškozením

nadměrným elektrickým proudem, tj. nadproudem nebo zkratem. Vypnutím a přerušením přetíženého obvodu pojistkou je chráněn majetek a jsou chráněny osoby a zvířata před nebezpečným dotykovým napětím neživých částí.

Tavná pojistka tvoří nejslabší místo elektrického obvodu. Průchodem proudu tavným vodičem pojistky vzniká na odporu tohoto vodiče pojistky úbytek napětí a ztrátový výkon, který

se mění v teplo. Ztrátový výkon roste s druhou mocninou proudu, a proto se s rostoucí velikostí proudu výrazně zkracuje doba potřebná k přetavení vodiče pojistky. Jeho přetavením a uhašením vzniklého oblouku dojde k přerušení elektrického obvodu.

Funkce křemičitého písku

Významnou roli ve funkci pojistky sehrává křemičitý písek,

kterým bývá většina pojistek naplněna – viz obrázek s řezem pojistkovou patronou. Písek zajišťuje:

ochlazení tavného vodiče při krátkodobých proudových impulzech, např. při zapnutí motorů, výkonných žárovek apod.

akumulaci tepla vzniklého procházejícím proudem – teplo vznikající při nadproudu způsobí po určité době přetavení

vodiče

uhašení elektrického oblouku vzniklého při přetavení vodiče

Tavný vodič pojistky

Nejdůležitější součástí pojistky je tavný vodič, jehož přetavením dojde k rozpojení

obvodu. Tavný vodič musí mít následující vlastnosti:

dobrou vodivost

nízkou teplotu tavení

malou náchylnost k oxidaci

snadnou vypařitelnost Nejčastěji jsou používány tavné vodiče ze stříbra nebo mědi. U

malých hodnot pojistek se používají dráty s průměry odpovídajícími jmenovitému proudu pojistky. U větších hodnot pojistek se používají pásky, které mohou být doplněny nízkotavnou pájkou, a nebo mají upravený průřez (na obrázku vlevo). Pojistky jsou též

vybaveny přídržným drátkem, který drží signalizační terčík v poloze signalizující nepřerušenou pojistku. Při přetavení tavného vodiče se přídržný drátek okamžitě přetaví

a terčík vyskočí.

23

Pojistky se vyrábějí v celé řadě provedení podle velikosti a druhu napětí, velikosti proudu,

druhu jištěného zařízení a místa použití. Rozlišujeme pojistky závitové (patrony), nožové, válcové, přístrojové (trubičkové), vysokonapěťové nebo pojistky pro motorová vozidla.

Závitové pojistky

Pojistka se skládá z pojistkového spodku (tzv. soklu),

hlavice a pojistkové vložky – patrony. Pro nezáměnnost jmenovitých hodnot proudu patrony jsou pojistkové spodky vybaveny vymezovacím kroužkem.

Pojistková patrona je určena pro jednorázové použití. Po jejím přetavení se musí vyměnit za novou patronu.

Pojistkové vložky je zakázáno opravovat. Opravená pojistková patrona může být příčinou poškození elektrického zařízení, vzniku požáru, úrazu elektrickým proudem nebo jiných škod.

Na obrázku je zleva vestavný pojistkový spodek (vyrábějí se i kryté), krycí kroužek (našroubuje se vně závitu pojistkového spodku, pojistková hlavice, vložka (patrona)

a vymezovací kroužek. Barvy terčíků patron a vymezovacích kroužků jsou shodné. Vymezovací kroužek umožňuje zašroubovat stejnou nebo menší hodnotu vložky (patrony) do pojistkového spodku.

Řady a barevné označení patron

Řady pojistek se označují písmenem E

(oblý Edisonův závit) a číslem dle průměru závitu. Nejčastěji se používají následující řady a barevná značení:

E27 2A – růžová, 4A – hnědá, 6A – zelená, 10A –

červená, 16A – šedá, 20A – modrá, 25A – žlutá

E33 35A – černá, 50A – bílá, 63A – hnědá

Na obrázku jsou vložky do pojistkových spodků – zleva E16, E27, E33, R1¼“, R2“

24

Výkonové nožové pojistky

Pro jištění výkonově silnějších obvodů (např.s trojfázovými motory, celé domy) se používají nožové pojistky. Nožové pojistky se vyrábějí se v několika typových řadách,

které se proudovými hodnotami překrývají. Standardní velikosti se označují 000, 00, 1, 2, 3, 4a. V rámci jednotli-

vých typových řad je rozlišení pouze potiskem, tvarové ani barevné rozlišení se nepoužívá. Pojistky těchto typů se vyměňují pomocí izolovaného držáku, tz. žehličky. Také pro

nožové pojistky existují odpínače, kde pojistky pro všechny tři fáze jsou umístěny ve společném nosiči a je možné je

vypojit najednou ze všech fází. Princip těchto pojistek je shodný jako u pojistkových patron.

Řady a hodnoty nožových pojistek

000 6A, 10A, 16A, 20A, 25A, 32A, 35A, 40A, 63A, 80A, 100A, 125A, 160A 00 100A, 125A, 160A

1 16A, 20A, 25A, 32A, 35A, 40A, 63A, 80A, 100A, 125A, 160A, 200A, 224A, 250A 2 35A, 40A, 63A, 80A, 100A, 125A, 160A, 200A, 224A, 250A, 315A, 350A, 400A 3 200A, 224A, 250A, 315A, 350A, 400A, 500A, 630A

4a 630A, 800A, 1000A, 1250A, 1600A

Válcové pojistky

Především pro jištění v rozvaděčích výrobních objektů nebo přímo strojů se

prosadily válcové pojistky. Pojistky jsou symetrické. Válcové keramické tělísko má na koncích nalisované kovové čepičky jako kontakty. Oba konce jsou stejné. Proudové rozsahy jsou rozlišeny pouze potiskem, barevné ani tvarové rozlišení není

použito. Existují tři rozměrové řady:

10×38 mm

14×51 mm

22×58 mm Pojistky se zasazují do pojistkových odpínačů. Ty jsou určeny výhradně k montáži na nosnou

lištu. Samotná pojistka je umístěna ve výklopné schránce. Pro třífázové obvody existují odpínače, u kterých se odpojí všechny tři fáze současně. Tyto pojistky se prosazují především pro úsporu místa.

Automobilové pojistky

V automobilech a dopravních prostředcích se obvykle používají nožové pojistky s barevným plastovým tělesem a s nožovými kontakty. Barva tělesa pojistky odpovídá jmenovitému proudu.

Schéma automobilové nožové pojistky vidíme na obrázku vpravo.

Starší vozidla byla osazena porcelánovými válcovými pojistkami s kovovými čepičkami. Automobilových pojistek existuje celá řada druhů a provedení. Princip funkce je stejný jako u ostatních pojistek. Při

nadproudech a zkratech se přetaví tavný vodič pojistky.

25

Skleněné trubičkové pojistky

Skleněné trubičkové pojistky se užívají k jištění výrobků spotřební elektroniky. Mají proudovou hodnotu od několika desetin do několika ampérů.

Jednotlivé proudové hodnoty jsou rozměrově stejné, proto je třeba dbát na to, aby byla vyměněna pojistka stejné hodnoty. Záměnou za pojistku vyšší hodnoty může

dojít k poškození přístroje. Trubičkové pojistky jsou vyráběny dvou rozměrových řadách.

Upozornění

Žádné typy pojistek nesmí být opravovány. Po opravě dojde ke změně jmenovitého

proudu a vypínací charakteristiky. Tím dojde ke znehodnocení funkce pojistky. To může způsobit vážné poškození zařízení nebo rozvodů, úraz elektrickým proudem, požár apod. Všechny typy pojistek jsou označeny proudovou hodnotou v ampérech, jmenovitým napětím

a případně i dalšími údaji.

Charakteristiky tavných pojistek

V praxi se pojistky v závislosti na tom, jak rychle se přepálí při konstantním nadproudu, rozdělují také na tzv.:

rychlé – značeno F

pomalé – značeno T, popř. symbolem šneka – hlemýždě

Pomalejší pojistky se předřazují např. před elektromotory, u kterých při jejich startu dochází ke krátkodobému výraznému nárůstu proudu.

Především nožové a válcové pojistky se vyrábějí pro různé oblasti použití. Pojistky jsou rozděleny do kategorií užití podle své funkce.

Vysokonapěťové pojistky

Vysokonapěťové pojistkové vložky mají obdobnou funkci jako pojistky

pro nízká napětí. Používají se pro jištění obvodů a přístrojů vysokého napětí, např. distribučních transformátorů. Jsou konstruovány tak, aby podle svého vypínacího rozsahu bezpečně přerušily všechny proudy od jejich jmenovité

vypínací schopnosti směrem dolů k minimálnímu vypínacímu proudu.

Základními částmi vysokonapěťové pojistkové vložky jsou pouzdro, keramický nosič tavného vodiče, hasivo a kontaktní víčka, z nichž jedno je opatřeno ukazatelem stavu. Ten slouží uživateli nejen k vizuální indikaci přetavení pojistky, ale může se též použít k

aktivaci dalšího příslušenství. V případě poruchy může tímto způsobem pojistka na jedné fázi iniciovat odpojení zbývajících fází systému.

Řez vysokonapěťovou pojistkovou vložkou firmy OEZ:

26

2.11.3 Jističe

Porovnání vlastností jističe a pojistky

Jistič i pojistka mají podobnou funkci – chrání elektrické obvody a zařízení proti nadproudům

a zkratům.

Výhody jističe:

Na rozdíl od pojistky, která se při svém zapůsobení zničí a musí být vyměněna, lze jistič znovu zapnout a obnovit tak

dodávku proudu do elektrického obvodu. Výhodou jsou lepší schopnosti vypínat menší hodnoty nadproudů.

Výhody pojistek:

Hlavní výhodou je jednoduchost, nižší cena, menší rozměry a spolehlivost. Výhodou může být i vyšší rychlost vypínání, protože jistič má z principu své funkce omezenou rychlost působení, dokáže zkratový proud vypnout, ale

většinou jej nedokáže omezit.

Hlavní části a funkce jističe

Každý jistič musí být schopen chránit přiřazený obvod proti nadproudům a zkratům.

Proto je vybaven zkratovou a nadproudovou spouští.

Zkratová spoušť

Zkratová spoušť jističe je tvořena elektromagnetem,

jehož cívkou prochází proud jištěného obvodu. Elektromagnet působí na vypínací mechanismus jističe. Musí velmi rychle reagovat na zkratové proudy a nemá reagovat na běžné

nadproudy. Na obrázku vpravo je detail elektromagnetu zkratové spouště (uprostřed), vypínacího mechanismu (vlevo) a zhášecí

komory vpravo).

27

Nadproudová spoušť

Nadproudová spoušť (obrázek vpravo) je tvořena bimetalem

(dvojkovem), který se ohřívá procházejícím proudem. U jističů větších hodnot se bimetal ohřívá přímo, u jističů malých hodnot je

použit nepřímý ohřev pomocí odporového vodiče ovinutého kolem bimetalu, vodič se ohřívá procházejícím proudem a předává teplo bimetalu. Bimetal se při ohřátí prohne a zapůsobí na vypínací mechanismus jističe.

Zkratová odolnost

Jedním z důležitých parametrů jističů jsou udávané zkratové schopnosti v kA. Zkratové proudy mohou dosahovat velmi vysokých hodnot především v blízkosti trafostanic.

Dnes se běžně používají jističe se zkratovou odolností 6 kA. Pro náročnější aplikace jsou k dispozici jističe se zkratovou odolností 10 kA až 25 kA.

2.11.3.1 Druhy jističů

Jističe se vyrábějí v celé řadě provedení lišících se počtem pólů (jednofázové,

třífázové s 1 až 4 póly), hodnotami proudů, druhem proudu (stejnosměrné, střídavé), provedením apod. Mohou být vybaveny pomocnými kontakty nebo podpěťovými spouštěmi umožňujícími dálkové vypínání.

2.11.3.2 Charakteristiky jističů

Charakteristiky běžných jističů se označují písmeny B, C a D. Lze z nich odečíst dobu,

za kterou jistič vypne při určitém proudu. Všechny charakteristiky mají stejnou nadproudovou (tepelnou) část, liší se pouze ve zkratové části.

Smluvený nevypínací proud je stanoven jako 1,13 násobek jmenovitého proudu a jistič jej nesmí vypnout nikdy, smluvený vypínací proud je stanoven na 1,45 násobek jmenovitého proudu a jistič jej musí vypnout do hodiny.

28

2.11.4 Motorové spouštěče

Motorové spouštěče mají obdobné vlastnosti jako jističe s charakteristikou D. Na rozdíl od jističů lze u nich nastavit nadproudovou spoušť v rozsahu 20 až 30%. Zkratová je nastavena pevně.

Motorové spouštěče mají ovládací mechanismy přizpůsobené k častému zapínání a vypínání, ovládají se tlačítky nebo otočnými páčkami.

Běžně jsou motorové spouštěče vybaveny:

podpěťovou spouští, která zajistí samočinné vypnutí motorového spouštěče v případě

výpadku napětí nebo při podpětí

vypínací spouští, kdy po přivedení

napětí na cívku spouště dojde k vypnutí motorového spouštěče

kontakty pro signalizaci reakce

nadproudové nebo zkratové spouště

pomocnými kontakty pro

signalizaci zapnutého nebo vypnutého stavu hlavních kontaktů.

Charakte-ristika

jističe

Vypne do 0,1 s při

násobku jmenovitého

proudu

Použití

A polovodiče

B 3 až 5 běžné spotřebiče

C 5 až 10 žárovky, motory s lehkým rozběhem

D 10 až 20 motory s těžkým rozběhem, transformátory

29

2.11.5 Nadproudová relé

Tepelná nadproudová relé

Relé jsou podobně jako jističe vybavena bimetalovými spouštěmi

v každé fázi, přes které protéká proud motoru a ohřívá je nepřímým způsobem. Bimetaly se při ohřevu ohýbají až nakonec vypnou spoušť

ovládající pomocné kontakty, které změní svou spínací polohu. Relé mají zabudované dva pomocné kontakty: jeden rozpínací a jeden spínací. Hodnotu proudu lze u tepelných nadproudových relé nastavit v rozsahu

min. 20%.

Elektronická nadproudová relé

Elektronická nadproudová relé mají širší rozsah proudového nastavení. Používají se rovněž k nadproudové ochraně motorů.

Nadproudová relé mohou být provedena jako samostatný přístroj nebo jako

modul určený k montáži na stykač. Svými kontakty řídí ovládací obvody stykačů. Při nadproudu v motoru nadproudové relé vypne ovládací obvod stykače a stykač následně vypne proud do motoru.

2.12 Stejnosměrné a střídavé napětí

Stejnosměrné napětí je napětí, které nemění v čase svoji polaritu (směr), můžeme u něj tedy

rozlišit kladný pól (+) a záporný pól (−).

Vznik stejnosměrného napětí

ze zdroje stálého stejnosměrného napětí, tj. zdroje, který má na jednom z pólů

stálý kladný potenciál a na druhém pólu stálý záporný potenciál. Takovým zdrojem je

např. galvanický článek. Elektrický proud z tohoto zdroje má alespoň po určitou dobu

stálý směr i velikost.

v termočlánku

ve fotoelektrických článcích

v dynamu, neboli v generátoru, který obsahuje část zvanou komutátor. Komutátor při

otáčení rotoru přepojuje póly zdroje, takže kladný a záporný potenciál zůstávají stále

na stejných výstupních svorkách. Elektrický proud z dynama má stálý směr, ale mění

svou velikost.

usměrněním střídavého proudu pomocí usměrňovače. Usměrňovač v první polovině

periody střídavého proudu propustí proud, v druhé polovině buď nepropustí žádný

proud, nebo obrátí směr proudu do stejného směru jako v první polovině periody.

Elektrický proud má stále stejný směr, mění svou velikost a označuje se jako tepavý

proud. Průběh takového proudu lze do jisté míry vyhladit kondenzátorem, nebo přesně

stabilizovat specializovanými obvody. Usměrnit lze i vícefázový proud, čímž vzniká jen lehce zvlněný proud výstupní.

30

Různé podoby stejnosměrného napětí

Střídavé napětí je takové elektrické napětí, které v čase mění svou polaritu. Graficky

znázorněné na osciloskopu může mít různé tvary. Vznik střídavého napětí

Střídavé napětí vzniká elektromagnetickou indukcí v generátoru,

nazývaném alternátor. Frekvence otáčení rotoru v generátoru určuje frekvenci střídavého proudu. Jestliže se otáčení rotoru děje se stálou úhlovou rychlostí, pak vzniklý střídavý proud má harmonický průběh.

Velikost střídavých veličin

Velikost obecných střídavých napětí a proudů není v obecném případě jednoznačně

určitelná, protože není možné jedním číslem charakterizovat celý průběh, který obecně

nemusí být a nebývá harmonický. V silových obvodech pod pojmem velikost napětí nebo

proudu většinou rozumíme jeho efektivní hodnotu, avšak z hlediska účinku napětí či proudu

může být v mnoha situacích důležitá také maximální hodnota, střední absolutní hodnota, nebo

velikost základní harmonické jeho průběhu.

Umax je špičkové napětí. U harmonického průběhu se vyskytuje v 1/4 periody a ve 3/4

periody. V zásuvce je Umax asi 325 V.

Imax je špičkový proud.

Uef je efektivní hodnota napětí, v silových střídavých obvodech jde o nejčastěji

udávanou hodnotu. Většinou se značí pouze jako U. Efektivní hodnota je definována jako

velikost stejnosměrného napětí, které by na rezistoru vyvolalo stejný tepelný účinek.

Z matematického hlediska jde o odmocninu ze střední hodnoty čtverce napětí za jednu nebo více půlperiod. V Evropě je zásuvce napětí Uef rovno 230 Volt. Platí, že:

U = 1/√2 . U_max = 0,7072 Umax

Umax = √2 . U = 1,4142 U

Obdobně Ief je efektivní hodnota proudu, v silových střídavých obvodech jde

o nejčastěji udávanou hodnotu. Většinou se značí pouze jako I. Efektivní hodnota je

definována jako velikost stejnosměrného proudu, který by při průchodu rezistorem

vyvolal stejný tepelný účinek. Z matematického hlediska jde o odmocninu ze střední hodnoty čtverce proudu za jednu nebo více půlperiod.

31

Ustř – střední absolutní hodnota napětí – se většinou neudává, protože nemá takové

praktické využití. Je to střední hodnota absolutních hodnot napětí:

Ustř = 2 Umax / π = 0,6366 Umax

Umax = π . U_stř / 2 = 1,5708 Ustř

Ustř = √8 U / π = 0,9003 U

U = π . U_stř / √8 = 1,1107 Ustř

K výše uvedeným přepočtům je třeba poznamenat, že jsou přesné pouze

za předpokladu, že veličina má nezkreslený sinusový průběh, což v praxi nemusí zvláště u odebíraných proudů vůbec platit.

Více viz. kapitola střídavý proud.

Rúzné průběhy střídavého napětí

2.13 Řazení elektrických zdrojů

Elektrické zdroje můžeme řadit A) za sebou, tj. do série, B) vedle sebe, tj. paralelně,

C) kombinovaně, tj. sérioparalelně

2.13.1 Sériové řazení zdrojů

Při sériovém řazení stejnosměrných zdrojů spojíme vždy kladnou svorku jednoho

zdroje se zápornou svorkou následujícího zdroje (obr. 13). Spojením několika zdrojů

(například článků) dostaneme baterii. Nejčastěji spojujeme zdroje se stejnými parametry, tj. se stejným svorkovým napětí nezatíženého zdroje u0 a se stejným vnitřním odporem ri. Potom je také stejné svorkové napětí při zatížení u. Je-li počet zdrojů zapojených do série n,

je svorkové napětí nezatížené baterie U0 = nu0 a zatížené baterie U = nu. Vnitřní odpor baterie Ri = nri.

Do série můžeme zapojovat také zdroje s různými parametry, ale potom se svorkové napětí baterie a její vnitřní odpor rovnají součtu svorkových napětí a vnitřních odporů jednotlivých zdrojů. V tomto případě můžeme však baterii zatížit pouze proudem, který

je schopen dodávat zdroj s nejmenším jmenovitým proudem.

32

Zdroje zařazené do série

Sériovému spojení zdrojů říkáme také spojení na napětí, neboť je určeno pouze

ke zvyšování napětí.

2.13.2 Paralelní řazení zdrojů

Pro paralelní spojování stejnosměrných zdroj používáme vždy zdroje se stejnými

parametry, aby mezi nimi nevznikaly vyrovnávací proudy, čímž by byl provoz nehospodárný.

Při paralelním řazení zdrojů spojíme vzájemně všechny kladné svorky a všechny záporné svorky. Svorkové napětí nezatížené baterie a svorkové napětí při zatížení se rovnají

svorkovému napětí při nezatížení a svorkovému napětí při zatížení jednoho zdroje (článku). Je–li počet článků m a jmenovitý proud jednoho článku i, můžeme baterii zatížit proudem I =

mi.

Zdroje zařazené paralelně

Paralelnímu spojení článků říkáme také spojení na proud, protože ho používáme,

potřebujeme-li proud větší, než může trvale poskytovat jeden zdroj.

33

2.13.3 Kombinované řazení elektrických zdrojů

Potřebujeme-li zvýšit napětí, ale i zvětšit proud, spojujeme zdroje (články) kombinovaně. Vznikne paralelní spojení několika sériově zapojených baterií.

Zdroje zařazené kombinovaně

Je-li počet článků spojených do série v jedné baterii n a počet sériových baterií spojených paralelně m, je svorkové napětí nezatížené baterie U0 = nu0. Svorkové napětí

baterie při zatížení U = nu a vnitřní odpor baterie Ri = nri /m. Jmenovitý proud I = mi. Počet článků potřebných pro sestavení baterie se rovná součinu nm.

3 Stejnosměrný proud Jak jsme se již dozvěděli, stejnosměrný proud je takový proud, který s časem nemění svůj

směr. Dohodnutý směr stejnosměrného proudu je od kladného pólu zdroje k zápornému. Také napětí může být buď stejnosměrné, nebo střídavé. Zdroj stejnosměrného napětí má na jedné

svorce trvalý přebytek elektronů. Tato svorka se nazývá záporná svorka zdroje napětí. Také již víme, že napětí měříme voltmetrem a jednotkou napětí je volt (V). Proudy měříme ampérmetrem a jednotkou el. proudu je ampér (A). Stejnosměrné napětí získáváme např.

z chemických zdrojů napětí (galvanické články, baterie, akumulátory) nebo usměrněním střídavého napětí.

3.1 Výkon a práce stejnosměrného proudu

3.1.1 Elektrická práce

Elektrická práce je mírou přeměny elektrické energie na jiné druhy energie. Elektrická

práce se vykonává, přesunujeme- li náboj Q mezi dvěma místy, mezi nimiž je napětí U

W = Q.U

34

Protože náboj Q lze vypočítat jako součin el. proudu a času (Q=I.t) je elektrická práce

W = U.I.t Elektrickou práci tedy vyjadřujeme jako součin napětí, proudu a doby, po ktrou se práce

koná. Stejně jako pro mechanickou práci používáme pro elektrickou práci jednotku joule (J). V elektrotechnické praxi se však častěji používá jednotka watt sekunda (W.s), popřípadě její

násobky watt hodina (W.h) a kilowatt hodina (kW.h). Platí vztah 1J = 1 W.s Příklad: Vypočítejte elektrickou práci, kterou spotřebuje zařízení, jímž při napětí 24

V prochází proud 2,1 A po dobu 25 minut. U = 24 V, I = 2,1 A, t = 25 min = 1500 s, W = ? J

Řešení: W = U.I.t = 24 V . 2,1 A . 1500 s = 75 600 J = 75,6 kJ

Zařízení spotřebuje práci přibližně 76 kJ. V běžném životě se však často mluví o spotřebě elektrické energie. Jde však o dodanou

práci, kterou zařízení získává přeměnou elektrické energie.

3.1.2 Elektrické teplo

Elektrické teplo nebo častěji Jouleovo teplo vzniká ve vodiči průchodem elektrického

proudu. Joule tento jev zkoumal kolem roku 1840. Zahřívání vodiče lze vysvětlit předáváním

části kinetické energie částic způsobujících elektrický proud (nejčastěji elektronů) částicím,

které se elektrického proudu neúčastní (nejčastěji kladné ionty v pevných pozicích). Tím se

zvyšuje tepelný pohyb těchto částic a vodič se zahřívá.

Velikost Jouleova tepla Q vznikajícího ve vodiči, jímž prochází elektrický proud po dobu t

a na jehož koncích je napětí U, se vypočte:

Q = U.I.t

Je-li znám odpor R vodiče, pak lze Jouleovo teplo vypočítat též takto:

Q = R.I2.t

Tento vztah se také nazývá Jouleův zákon.

Základní jednotkou Jouleova tepla je joule (J).

Jouleovo teplo se využívá v tepelných elektrických spotřebičích, jinde je spíše

na škodu, protože způsobuje jednak ztrátu elektrické energie, jednak možné tepelné

poškození elektrických spotřebičů.

Podle vztahů vidíme, že elektrická práce a elektrické teplo jsou ve své podstatě to

samé.

35

3.1.3 Elektrický výkon

Víme již, že pro výkon platí vztah:

P = W/t

Výkon P v obvodu stejnosměrného proudu je přímo úměrný práci W a nepřímo úměrný době t, po kterou se práce koná. Dosazením do tohoto vztahu dostaneme:

P = U.I Elektrický výkon při stálém stejnosměrném proudu v obvodu se rovná součinu proudu

procházejícího vodičem a napětí mezi jeho konci. Jednotkou výkonu je watt (W). Jeden Watt je výkon, při němž se rovnoměrně vykoná práce jednoho joulu za jednu sekundu. Elektrický

výkon měříme wattmetrem. Je to přístroj, který současně měří napětí a proud. Úpravami podle Ohmova zákona dostaneme pro elektrický výkon další vztahy:

P = U.I = R.I2 = U2/R

Příklad: Elektrické topné těleso odebírá při napětí 230 V elektrický proud 8,65 A. Jaký odebírá výkon?

U = 230 V, I = 8,65 A, P = ? W Řešení:

P =U.I = 230 V . 8,65 A = 1989,5 W ≈ 2 kW

Elektrické zařízení odebírá výkon přibližně 2 kW.

3.1.4 Účinnost

V elektrotechnice je účinnost fyzikální veličina, která udává poměr mezi užitečným

výkonem P2 a příkonem P1 při vykonávání práce. Užitečný výkon (někdy jen výkon) je

výkon, který dodává spotřebič. Žárovka s příkonem 100 W dodává světelný výkon asi 10 W,

tj. 90 W se v ní mění na neužitečné teplo.

Energie dodaná stroji musí být vždy větší než práce strojem vykonaná (v opačném

případě bychom mluvili o tzv. Perpetuum mobile), kvůli ztrátám – přeměně energie

na neužitečné druhy (např. v důsledku tření se mění mechanická energie v teplo). Proto

účinnost je vždy menší než 100 %. (Také říkáme menší než 1)

Značka: η (čteme ný)

Jedná se o bezrozměrnou veličinu buď bez jednotky, příp. s jednotkou %.

Výpočet:

η = P2/P1

Rozdíl mezi výkonem a příkonem tvoří ztráty, tj. neužitečně přeměněný výkon.

V žárovce jsou tedy ztráty kolem 90 %.

36

3.2 Elektrický odpor

Kovový vodič je tvořen velikým množstvím mikroskopických krystalků. Tyto krystalky obsahují velký počet atomů uspořádaných do krystalových mřížek. Společným znakem všech

atomů je jejich kmitání kolem rovnovážné polohy. Volné elektrony při svém kmitání narážejí do jednotlivých atomů a mění tak svůj směr. Dokud vodičem neprochází proud, je pohyb elektronů neuspořádaný. Za určitou dobu

projde průřezem vodiče jedním směrem stejný počet elektronů, jaký projde opačným směrem. Elektrony z vodiče nevystupují.

Připojí-li se konce vodiče ke zdroji napětí, uvedou se volné elektrony do uspořádaného pohybu, kdy na jedné straně do vodiče elektrony vstupují a na druhé straně z něj vystupují. Avšak srážky s atomy brzdí pohyb elektronů. Projevuje se elektrický odpor

vodiče, zkráceně odpor (R). Jednotkou odporu je ohm (Ω). Odpor měříme ohmmetrem.

Odpor vodiče závisí na:

jeho délce – čím je vodič delší, tím je jeho odpor větší. Čím delší je vodič, tím více srážek musí elektrony překonat při své cestě vodičem. Zvětšuje se tedy odpor vodiče.

průřezu vodiče – čím větší je průřez vodiče, tím menší je jeho odpor. materiálu vodiče – tuto závislost vyjadřujeme rezistivitou vodiče (ρ).

teplotě vodiče – čím je teplota vodiče vyšší, tím je i jeho odpor vyšší. Odpor vodiče je přímo úměrný měrnému odporu ρ, přímo úměrný délce l a nepřímo

úměrný průřezu vodiče A.

Vzorec:

R = ρ ∙ l

A nebo R =

l

γ∙A

Měrný odpor a měrná vodivost při 20 °C

Materiál Měrný odpor ρ (Ω.mm2/m) Měrná vodivost γ (Ω.mm2)

hliník (Al) 0,0278 36,0

měď (Cu) 0,0178 56,0

stříbro (Ag) 0,0167 60,0

zlato (Au) 0,022 45,7

Příklad: Vypočítejte odpor měděného vodiče délky l = 50 m a průřezu A = 1,5 mm2.

Řešení:

Z tabulky známe měrný odpor ρ=0,0178 Ω.mm2/m

R = ρ ∙ l

A =

0,0178 Ω.mm2/m ∙ 50 m

1,5mm2 = 0,59 Ω

37

3.3 Ohmův zákon

Ohmův zákon vyjadřuje vztah mezi napětím a proudem při konstantním odporu vodiče. Znění Ohmova zákona: Elektrický proud I v kovovém vodiči je přímo úměrný elektrickému

napětí U mezi jeho konci.

I = U/R

Graf lineární závislosti proudu na napětí

3.3.1 Úbytek napětí na vedení

Na každém vodiči dochází průchodem proudu k úbytku napětí. Úbytek napětí

na vedení je tím větší, čím větší je proud vedení a čím větší je odpor vedení. Úbytek napětí ve vedení způsobuje ztráty energie, které se mění v teplo. Přípustné úbytky napětí na vedení jsou dány technickou normou

Přípustné maximální úbytky napětí na vedení

Přípustný úbytek napětí mezi přípojnou skříňkou a elektroměrem:

odebíraný výkon: přípustný úbytek napětí: do 100 kVA 0,5 %

od 100 kVA do 250 kVA 1 % od 250 kVA do 400 kVA 1,25 %

přes 400 kVA 1,5 % Maximální úbytky ke spotřebiči podle ČSN:

druh obvodů od rozváděče za elektroměrem od přípojné skříňky

světelné obvody 2 % 4 %

obvody pro spotřebiče na

vaření a topení

3 % 6 %

ostatní obvody 5 % 8 %

Základní vzorce pro výpočet úbytku napětí:

∆U = U1 – U2

∆U = I . Rved

∆U - úbytek

napětí

U1 - napětí na

začátku vedení

U2 - napětí na

konci vedení

38

∆u = ∆U.100%

U

Příklad:

Dvouvodičovým vedením délky 10 m s měděnými vodiči 1,5 mm2 protéká proud 13 A. a) Jak velký je úbytek napětí na vedení ∆U veV? b) Jak velký je úbytek ∆u v % síťového napětí 230 V?

Řešení:

Rved = 2 ∙ l

γ∙A =

2 ∙ 10 m

56 m/Ω.mm2 ∙ 1,5 mm2 = 0,238 Ω

a) ∆U = I . Rved = 13 A . 0,238 Ω = 3,1 V

b) ∆u = ∆U.100%

U =

3,1V.100%

230V = 1,35%

! Elektrický proud musí protéct celým vedením od zdroje ke spotřebiči a zpět, proto

u stejnosměrného proudu a jednofázového střídavého proudu násobíme délku vedení

dvěma!

39

3.3.2 Příklady na Ohmův zákon:

Příklad 1

K odporovému vodiči bylo přiloženo napětí 24 V. Jaký proud protéká vodičem, je-li jeho odpor 160 Ω?

Řešení:

U = 24 V R = 160 Ω

určit proud I [A]

I = U

R =

24 V

160 Ω = 0,15 A

Vodičem protéká proud 0,15 A, tj. 150 mA.

Příklad 2

Rezistorem o odporu 2,2 kΩ protéká proud 30 mA. Vypočtěte napětí na rezistoru.

Řešení:

R = 2,2 kΩ = 2,2 ·103 Ω

I = 30 mA = 30 ·10-3 A určit napětí U [V]

U = RI = 2,2 ·103 Ω · 30 ·10-3 A = 66 V

Na rezistoru je napětí 66 V.

Příklad 3

Vypočítejte odpor vodiče, kterým při napětí 1,4 V prochází proud 250 mA.

Řešení:

U = 1,4 V I = 250 mA = 250 ·10-3 A

určit odpor R [Ω]

R = U

I =

1,4 V

250·10-3A = 5,6 Ω

Odpor vodiče je 5,6 Ω.

Cvičení

1. Na žárovce je údaj 4,5 V a 0,26 A. Určete odpor vlákna žárovky při provozní teplotě.

2. Ampérmetr má rozsah 100 mA. Můžeme jím měřit proud procházející rezistorem s odporem 0,8 kΩ při napětí 120 V?

3. Na jaké největší napětí je možné připojit elektromotorek autíčka s odporem vinutí 10 Ω, aby proud jím protékající nepřekročil hodnotu 1,25 A?

Výsledky: 1. R = 17,3 Ω; 2. Ne, ampérmetrem by protékal proud 150 mA; 3. U = 12,5 V.

40

3.4 Rezistory

Elektrický odpor R vystupující v Ohmově zákoně je v praxi realizován součástkou

nazývanou rezistor. Důležitost této součástky vyplývá již ze samotného vzorce pro Ohmův zákon, který říká, že rezistory převádějí proud na napětí a naopak. Jinými slovy, při

průtoku daného proudu I vzniká na rezistoru úbytek napětí U, přímo úměrný hodnotě odporu R. Pokud bychom na rezistor přiložili napětí U, protekl by jím proud I tím menší, čím větší by byla jeho hodnota odporu R. Rezistor je tedy v elektrickém obvodu schopen proud omezovat,

což je další z jeho velmi častých aplikací

Ze vztahu je patrné, že odpor R se zvětšuje s rostoucím měrným odporem a délkou a s klesajícím průřezem S. Rezistory jsou elektronické součástky, jejichž základní požadovanou vlastností je elektrický odpor žádané velikosti. Podle konstrukčního provedení

je dělíme na dvě velké skupiny: rezistory se dvěma vývody (většinou pevné)

rezistory s více než dvěma vývody (rezistory s odbočkami, odporové trimry a potenciometry)

Nezávisle na předchozím dělení můžeme z technologického hlediska rozdělit rezistory na: vrstvové (odporový materiál ve formě vrstvy)

drátové (vinuté odporovým drátem)

Obr. 7 Některé z typů používaných rezistorů a) vrstvový rezistor b), c) drátové rezistory d) odporový trimr

3.4.1 Parametry rezistorů

Součástky jsou obvykle popisovány mezními a charakteristickými parametry. Mezní parametry jsou ty, jejichž překročení vede ke zničení součástky. Charakteristické jsou ty, které nám charakterizují užitné vlastnosti součástky. Jejich opomenutí vede většinou

k nesprávné funkci obvodu, nikoliv však k jeho destrukci. Nejdůležitějšími parametry diskrétního rezistoru je jmenovitá hodnota odporu (charakteristický parametr) a jmenovitá

zatížitelnost (mezní parametr). Jmenovitý odpor rezistoru představuje výrobcem předpokládaný odpor v ohmech, s příslušnou tolerancí v procentech. Podle udané tolerance jsou hodnoty rezistorů vyráběny v řadě povolených čísel E6, E12, E24, atd. podle počtu n-

hodnot v dekádě. Řada volených čísel (tzv. procentní) tvoří geometrickou posloupnost. V tabulce jsou uvedeny hodnoty výše zmíněných řad:

41

Řada E 24 (5%)

1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0

3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1

Řada E 12 (10%)

1,0 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3.9 4,7 5,6 6,8 8,2

Řada E 6 (20%)

1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8

Jmenovitá zatížitelnost rezistorů Jmenovitá zatížitelnost vychází z elektrického výkonu způsobeného průchodem

proudu I rezistorem R, na kterém je přitom úbytek napětí U. Tento výkon se mění převážně

v teplo. Jelikož by mohl nadměrný ohřev způsobit překročení teploty, nad kterou již nastávají nevratné změny parametrů daného rezistoru, stanovuje výrobce maximální povolený

(jmenovitý) ztrátový výkon, při kterém ještě tato teplota překročena není. Jeho hodnoty obvykle tvoří řadu 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2, 5 …[W] a nalezneme je u většiny výrobců shodné.

P = U ∙ I = R ∙ I2 = U2 / R

Značení rezistorů

Podle velikosti a tvaru rezistorů využívají výrobci zpravidla jeden ze tří druhů značení odporu rezistorů:

číselné značení s příponou

barevný kód číselný kód

Číselné značení s příponou

Základní jednotkou pro značení odporu rezistorů je 1Ω. Ostatní řády se označují

obvyklými příponami (násobiteli). Na konci označení může být ještě písmeno značící toleranci hodnoty odporu. Přípony a značky pro toleranci jsou uvedeny v následující tabulce

Násobitel R a J může být vynechán.

Násobitel 100 103 106 109 1012

Přípona R, J k M G T

Tab. Kódy pro značení hodnot rezis torů

Tolerance (+/-)

20 % 10 % 5 % 2 % 1 %

Kód tolerance M K J G F

Kódy pro značení tolerance rezistorů

Barevný kód Označování rezistorů barevným kódem se využívá především u miniaturních rezistorů,

kde rozměry součástky neumožňují vyjádřit hodnotu a toleranci písmenovým kódem. Barevné značení má výhodu ve snadném čtení údajů ze všech směrů a poloh umístění rezistorů, protože je provedeno po celém obvodu rezistorů. Pro určení hodnot odporu jednotlivých

rezistorů se používá tabulka 1.4. Značení se skládá ze tří až šesti proužků, kde první proužek je blíže k okraji rezistorů. Označení zahrnuje dvě až tři platné číslice, dále násobitel, toleranci

a případně teplotní koeficient TKR. Příklad tohoto způsobu značení je na obr. 8.

42

Barevný kód značení rezistorů

Obr. 8 Různé způsoby značení odporu rezistoru o hodnotě 1200 Ω

Číselný kód

Tento způsob značení se používá zejména pro popis rezistorů SMD pro povrchovou montáž. Skládá se ze tří nebo čtyř číslic, přičemž první dvě nebo tři číslice představují vlastní

hodnotu odporu a poslední číslice jeho násobitel. V podstatě jde o obdobu čárového kódu.

3.4.2 Vlastnosti rezistorů

Teplotní součinitel odporu rezistoru

Teplotní součinitel odporu rezistoru (TKR) umožňuje určit změnu odporu rezistoru, způsobenou změnou jeho teploty. Udává největší poměrnou změnu odporu součástky, odpovídající nárůstu oteplení o 1°C, v rozsahu teplot, ve kterých je tato změna vratná.

43

Šumové napětí

Vlivem nerovnoměrného pohybu elektronů uvnitř materiálu součástky, vznikají mezi vývody rezistoru malé, časově nepravidelné změny potenciálu. Pokud bychom tyto změny

zesílili a přivedli je jako nf signál například do reproduktoru, slyšeli bychom charakteristický zvuk, který označujeme jako šum elektronického obvodu. Příčinou šumu je šumové napětí, které má dvě hlavní složky: tepelné šumové napětí a povrchové šumové napětí.

Potenciometry

Potenciometry jsou proměnné otočné rezistory. Vyrábějí se jak vrstvové, tak i drátové.

Nejběžnější jsou vrstvové potenciometry lakové, u nichž je odporová dráha tvořena lakovou vrstvou na vytvrzené izolační podložce. Kvalitnější jsou potenciometry s odporovou drahou tvořenou sklem nebo tvrditelnou pryskyřicí, obsahující vodivý materiál (grafit, práškové

stříbro, apod.) na izolační keramické podložce. Konstrukčně jsou potenciometry provedené jako jednoduché (obsahují pouze jeden systém) nebo dvojité (dva systémy ve spojených

pouzdrech, ovládané samostatně uloženými osami) a tandemové (na jedné ovládací ose jsou umístěny dva systémy). Podle závislosti dělícího poměru, na úhlu natočení osy, rozlišujeme potenciometry s různými průběhy. Nejdůležitější je potenciometr lineární (označovaný N)

a logaritmický (označovaný G). Všimněme si, že logaritmický potenciometr má závislost dělícího poměru na úhlu natočení exponenciální. Používá se k regulaci veličin, které závisí na

napětí logaritmicky (např. hlasitost). Tyto veličiny jsou pak regulovány přímo úměrně úhlu natočení osy. Speciálními typy jsou víceotáčkové potenciometry, které mají odporovou dráhu provedenou ve tvaru šroubovice a umožňují velice přesné nastavení požadované hodnoty

odporu. Provedení některých typů potenciometrů a průběh jejich charakteristik je uveden na obr. 10.

Provedení potenciometrů a) lineární b) tandemový c) víceotáčkový

Průběhy odporu potenciometrů v závislosti na natočení osy

a) lineární potenciometr

b) logaritmický potenciometr

c) exponenciální potenciometr

44

Odporové trimry

Odporové (potenciometrické) trimry se od potenciometrů liší konstrukčním provedením, které není určeno k trvalému posouvání polohy jezdce. Obvykle lze nastavit

pomocí malého šroubováku. Můžeme je také využívat místo klasických rezistorů konkrétní hodnoty, které nenalezneme v odporových řadách a tak si jejich hodnotu pevně nastavíme.

Odporová dráha je tvořena vrstvou odporového materiálu stejného složení, jako u vrstvových potenciometrů.

Různé podoby trimrů

3.4.3 Zvláštní druhy rezistorů: termistor, varistor, fotorezistor,

magnetorezistor

Termistor

Termistory se vyrábějí z oxidu kovu (Mn, Fe, Co, Ni, …), který se rozemele na prášek

a podle požadovaných vlastností vyráběného termistoru se přidají další příměsi a pojidlo.

Poté se směs za vysokého tlaku slisuje. Tvar termistoru (tyčinky, destičky, …) závisí na jeho

pozdějším použití. Nakonec se nechá vypálit v peci (při teplotách přes 1000°C). Podle

závislosti odporu na teplotě existují dva druhy:

1. NTC (se záporným teplotním součinitelem odporu) - s rostoucí teplotou jeho odpor

klesá, neboť roste vodivost a tedy i proud. Užívá se k měření teploty (při můstkovém zapojení

je možno měřit až s přesností 10-4K) k určování velikosti rychlosti proudění

tekutin(tekutina proudí, ochlazuje ho a je tedy možné určit velikost rychlosti proudění),

převodník teplota - napětí (při měření teploty na počítačích), v obrazovkách (zabraňuje

žhavícímu vláknu se přehřát při zapnutí počátečním velkým proudem - je zapojen s vláknem

v sérii, čímž částtepla vzniklého průchodem proudu „absorbuje“)

2. PTC (pozistor; s kladným teplotním součinitelem odporu) - s rostoucí teplotou roste

odpor, přičemž roste mnohem rychleji než u kovů. Užívá se v elektrických troubách a vařičích

ke stabilizaci napětí (v troubách se požaduje konstantní teplota - při náhodném zvýšení napětí

vzroste proud, pozistor se zahřeje a zvětší se jeho odpor, následkem čehož se přerozdělí napětí

a zmenší se výchylky proudu a napětí na spirále; analogicky funguje při poklesu napětí),

zabraňuje spálení motorů, indikuje vzrůst nebo pokles teploty, využívá se v termostatech

(„hrubé“ rozdíly zpracuje pozistor, zbytek doladí termistor)

45

Varistor

Varistor je nelineární polovodičová součástka, jejíž odpor závisí na napětí. Je

zhotovena slisováním a spékáním zrníček karbidu křemíku (SiC) při teplotě kolem 1200°C,

nebo spékáním oxidů některých kovů - například zinku. První uvedené se označují jako

karbidové varistory, druhé jako MOV (Metal Oxid Varistor). Název součástky je odvozen

z anglického variable resistor. Varistor je někdy označován i jako VDR (Voltage Dependent

Resistor – rezistor závislý na napětí).

Při zvětšování napětí mezi vývody varistoru dochází nejprve k pomalému a skoro

lineárnímu vzrůstu proudu. Odpor součástky je velký a téměř konstantní. Po dosažení napětí

Un prudce poklesne vnitřní odpor. Napětí na varistoru se dále

zvětšuje málo, dochází však k velkému nárůstu proudu.

Varistory se užívají ke stabilizaci stejnosměrných napětí

a jako přepěťová ochrana. Lze je použít k ochraně

kontaktů relé před jiskřením. V oblasti zvukových kmitočtů

není varistor frekvenčně závislý, a protože elektrický

odpor varistorů závisí pouze na přiloženém napětí, nedochází

v reakci na napěťové výkyvy k žádnému zpoždění. Varistory

poměrně dobře snášejí impulzové zatížení a propouštějí

krátkodobě i velké proudy bez poškození.

Fotorezistor

Fotorezistor (dříve označován jako fotoodpor) je pasivní elektronická součástka bez PN přechodu, jejíž elektrický odpor se snižuje se zvyšující se intenzitou dopadajícího světla, resp. elektrická vodivost se zvyšuje.

Magnetorezistor

Magnetorezistor je dvojpólová elektronická součástka, která mění svou rezistanci (R)

v závislosti na velikosti indukce magnetického pole(B). Používá se jako snímač magnetických

veličin, bezkontaktní dvoupolohově nebo spojitě řízené rezistor, potenciometr a podobně.

Magnetorezistor je rezistor, jehož odpor je závislý na magnetické indukci. Nejčastěji obsahuje

antimonid india s jehličkami antimonidu niklu, které se dostanou do látky při výrobě

speciálním teplotním programem tuhnutí. Při přiložení elektrického napětí se nosiče náboje

pohybují přímočaře tělískem, pokud nepůsobí magnetické pole. Existuje-li kolmo

k elektrickému poli magnetické pole, budou podle Halla nosiče náboje v polovodičovém

materiálu silně vychylovány. Magnetorezistor se často používá jako snímač u počítacích

zařízení (čítačů).

Konstrukčně je tvořen vrstvou polovodičového materiálu (nejlepších požadovaných

vlastností dosahuje antimonid india (InSb)) s velkou pohyblivostí vodičů náboje tvaru tenkých

kotoučků s tloušťkou cca 20mikrometrů napařené na keramické destičce (tzv. Corbinův disk).

Jeden kontakt se vyvádí ze středu kotoučku, druhý je tvořen kovovou elektrodou po obvodu

kotoučku.

46

3.5 Řazení rezistorů

Rezistory lze řadit několika způsoby: sériově, paralelně, do trojúhelníku, do hvězdy a kombinací těchto způsobů např. sérioparalelně (smíšené řazení).

1. Sériové řazení rezistorů (za sebou) – jedná se o nejjednodušší způsob řazení – hodnoty jednotlivých rezistorů se sčítají. Pro výslednou hodnotu odporu všech rezistorů platí:

R = R1 + R2 + … + Rn

Tento zápis znamená, že počet sčítaných odporů může být libovolný. Při sériovém řazení prochází celým obvodem stejný proud, ale celkové napětí obvodu se na

jednotlivých rezistorech dělí v poměru velikosti odporů. Proto takovémuto zapojení říkáme dělič napětí.

Sériové zapojení rezistorů

2. Paralelní řazení rezistorů (vedle sebe) – převrácená hodnota výsledného odporu všech rezistorů odpovídá součtu převrácených hodnot odporů jednotlivých rezistorů:

V takovémto zapojení je napětí na jednotlivých rezistorech stejné, avšak celkový proud obvodu se na jednotlivých rezistorech větví. Celkový proud je tedy roven součtu jednotlivých

proudů protékajících rezistory. Takovémuto zapojení také říkáme dělič proudu. Pro proud platí:

I = I1 + I2 + … + In

47

Paralelní řazení rezistorů

3. Smíšené řazení rezistorů – v takovémto obvodu jsou řazeny rezistory jak sériově, tak

paralelně; pro výpočet je třeba obvod zjednodušit a převést na sériové řazení nebo méně často na paralelní řazení.

Příklad smíšeného řazení

4. Transfigurace hvězda – trojúhelník – jedná se o početní náhradu tří rezistorů, kdy nejsou

řazeny ani paralelně ani sériově. Mezi svorky 1, 2, 3 jsou zapojeny rezistory o odporech R1, R2, R3 do trojúhelníka. Tyto rezistory je možné nahradit jinými rezistory o velikostech Ra, Rb, Rc, které jsou zapojeny do hvězdy tak, aby výsledné odpory mezi svorkami 1-2, 2-3, 3-1

byly stejné. K takovémuto úkonu přistupujeme ve chvíli, kdy potřebujeme zjednodušit složitější

zapojení rezistorů, ve kterém nám však brání právě část zapojená do trojúhelníku. Proto nejprve provedeme transfiguraci a poté můžeme pokračovat v dalším zjednodušování obvodu.

48

Trojúhelník Hvězda

Trojúhelník, hvězda v běžném schématickém zobrazení

Vzorce pro transfiguraci:

Ra = R1∙R2

R1+R2+R3 , Rb =

R2∙R3

R1+R2+R3 , Rc =

R3∙R1

R1+R2+R3

3.6 Kirchhoffovy zákony

3.6.1 První Kirchhoffův zákon

První Kirchhoffův zákon platí pro uzel, tj. pro spoj v obvodu, ve kterém se proud

rozvětvuje. Na obrázku níže je znázorněna část elektrického obvodu se dvěma uzly – A, B, mezi které jsou zapojeny tři rezistory – R1, R2, R3. Do uzlu A přicházejí proudy I1, I2, I3, a I4,

odcházejí z něho proudy I5, I6, a I7. Do uzlu B přicházejí proudy I5, I6, I7 a odcházejí z něho proudy I8 a I9.

Podle elektronové teorie musí elektrony, které vstupují při ustáleném proudu do uzlu,

z něho zase vystoupit. Můžeme proto pro uzel A napsat rovnici I1 + I2 + I3 + I4 = I5 + I6 + I7

Pro uzel B platí I5 + I6 + I7 = I8 + I9

Tyto dvě rovnice vyjadřují první Kirchhoffův zákon (uzlový), který zní: Součet všech proudů do uzlu vstupujících je roven součtu proudů z uzlu

vystupujících. Neboli algebraický součet proudů v uzlu je roven nule.

Obě uvedené rovnice lze také psát ve tvaru

49

I1 + I2 + I3 + I4 - I5 - I6 - I7 = 0 A

I5 + I6 + I7 - I8 - I9= 0 A Obecně

∑I = 0 A

Při algebraickém součtu musíme přihlížet ke znaménku součtových veličin. Zpravidla přitom proudy přicházející do uzlu uvažujeme s kladným znaménkem a proudy odcházející z uzlu se záporným znaménkem.

3.6.2 Druhý Kirchhoffův zákon

Druhý Kirchhoffův zákon platí pro uzavřený elektrický obvod. Na dalším obrázku jsou v obvodu zapojeny čtyři spotřebiče s odpory R1, R2, R3, R4, na kterých je svorkové napětí U1, U2, U3, U4. Svorkové napětí na spotřebičích působí vždy ve směru procházejícího proudu.

Dále jsou v obvodu tři zdroje se svorkovým napětím U5, U6, U7 a jejich směr působení je od kladné svorky zdroje k záporné svorce. Větvemi obvodu procházejí proudy I1,I2,I3, a I4.

Druhý Kirchhoffův zákon

Podle druhého (smyčkového) Kirchhoffova zákona se algebraický součet všech napětí

na svorkách spotřebičů a na svorkách zdrojů v uzavřeném obvodu rovná nule.

Před psaním druhého Kirchhoffova zákona si vždy zvolíme zcela libovolný směr,

kterým budeme postupovat po obvodu a označíme si jej do schématu šipkou. Napětí ve směru šipky považujeme za kladné, proti směru za záporné. Pro náš obvod tedy platí

-U1 - U2 + U3 + U4 + U5 - U6 - U7 = 0 V

50

-R1I1 - R2I2 + R3I3 + R4I4 + U5 - U6 - U7 = 0 V

Obecně

∑U = 0 V

Neznáme-li předem směry proudů v jednotlivých větvích obvodů, zvolíme je libovolně.

Vyjde-li při výpočtu proud se záporným znaménkem, prochází proud spotřebičem opačně, než

jak jsme předpokládali. Vyjde-li směr proudu ve zdroji proti směru jeho svorkového napětí, potom zdroj pracuje jako spotřebič.

3.6.3 Příklady na Kirchoffovy zákony:

Příklad 1

V uzlu A (viz. obr. x) se setkávají proudy I1, I2, I3, I4, a I5. Vypočtěte velikost a směr proudu

I5, je-li I1 = 30 mA, I2 = 85 mA, I3 = 140 mA a I4 = 200 mA.

Řešení:

Proudy I1, I2 a I3 vstupují do uzlu A, proud I4 z uzlu A vychází (vystupuje). U proudu I5 zvolíme jeho směr, např. jde o proud, který z uzlu A vystupuje. Podle I. Kirchhoffova zákona

platí: I1 + I2 + I3 = I4 + I5 , odtud

I5 = I1 + I2 + I3 – I4 = 30 mA + 85 mA + 140 mA – 200 mA = 55 mA.

Poznámka:

- hodnota proudu I5 je kladná, což znamená, že jeho směr je podle předpokladu (z uzlu A

vystupuje); - v případě, že by hodnota proudu I5 byla záporná, pak jeho směr bude opačný, než jsme

zvolili.

Proud I5 má velikost 55mA a z uzlu A vystupuje.

Příklad 2

V elektrickém obvodu na obrázku níže je Ue1 = 24 V, Ue2 = 6 V a R1 = 50 Ω, R2 = 30 Ω, R3 = 10 Ω . Určete velikosti napětí U1, U2, U3 na rezistorech a proud I protékající obvodem.

I

1

I

2 I

4

I

3 I

5 A

U

e

1

I U

e

2

51

Řešení:

Při řešení postupně vyznačíme ve schématu obvodu:

a) směr proudu v obvodu (volíme libovolně);

b) směry elektromotorických napětí Ue zdrojů (od kladného pólu k zápornému); c) směr oběhu podle něhož budeme zapisovat rovnici (volíme libovolně).

Zapíšeme rovnici vyjadřující II. Kirchhoffův zákon, tj. algebraický součet napětí na svorkách spotřebičů (rezistorů) a na svorkách zdrojů v uzavřeném obvodu se rovná nule. Napětí zdrojů

Ue a proudy I bereme záporně, jestliže jejich směry nesouhlasí se směrem oběhu (smyčky).

– Ue1 + U1 + Ue2 + U2 + U3 = 0 , přičemž U1 = R1I , U2 = R2I , U3 = R3I.

Tedy – Ue1 + R1I + Ue2 + R2I + R3I = 0 , po dosazení číselných hodnot dostaneme rovnici

– 24 + 50I + 6 + 30I + 10 I = 0

90I = 18

I = 0,2 A

Napětí na rezistorech: U1 = R1I = 50 Ω · 0,2 A = 10 V

U2 = R2I = 30 Ω · 0,2 A = 6 V

U3 = R3I = 10 Ω · 0,2 A = 2 V.

Na rezistorech budou postupně napětí 10 V, 6 V, 2 V a obvodem bude protékat proud 0,2 A.

Příklad 3

Vypočtěte proudy I1, I2 a I3 ve větvích složeného obvodu dle obr. x, je-li Ue1 = 12 V, Ue2 = 3 V, Ue3 = 9 V a R1 =20 Ω, R2 = 30 Ω, R3 = 10 Ω .

Řešení:

Vzhledem ke třem neznámým (I1, I2, I3), je nutno vytvořit tři rovnice

Z I. Kirchhoffova zákona pro uzel B plyne:

I1 + I2 + I3 = 0

Z II. Kirchhoffova zákona pro jednotlivé obvody (smyčky) plyne:

R1I1 – Ue2 – R2I2 – Ue1 = 0 ,

R2I2 + Ue2 – R3I3 – Ue3 = 0 ,

resp. R1I1 – R3I3 – Ue3 – Ue1 = 0.

K výpočtu proudů použijeme např. první tři rovnice, do nichž dosadíme známé hodnoty:

A B

U

e

1 U

e

3

U

e

2

I

1

I

2

I

3

52

(1) I1 + I2 + I3 = 0 ,

(2) 20I1 – 3 – 30I2 – 12 = 0 ,

(3) 30I2 + 3 – 10I3 – 9 = 0 .

Z rovnice (1) vyjádříme např. proud I2 = – I1 – I3 a dosadíme do zbývajících rovnic:

20I1 – 3 – 30(– I1 – I3) – 12 = 0

30(– I1 – I3) + 3 – 10I3 – 9 = 0.

Po zjednodušení dostaneme soustavu: 5I1 +3 I3 = 1,5

–3I1 – 4I3 = 0,6 .

Dalším řešením získáme I1 = 7,1 A; I2 = – 18,4 A; I3 = 11,3 A. Proud I2 bude mít opačný směr, než původně bylo vyznačeno ve schématu obvodu.

Jednotlivými větvemi obvodu protékají proudy, jejichž hodnoty jsou asi I1 = 7,1 A; I2 = 18,4 A

a I3 = 11,3 A.

Cvičení

1. Tři sériově řazené rezistory o odporech R1 =20 Ω, R2 = 40 Ω a R3 = 60 Ω jsou připojeny na napětí U = 90 V. Určete napětí na jednotlivých rezistorech.

2. Proud 120 mA se rozvětvuje do dvou paralelně řazených rezistorů o odporech R1 = 6 Ω a R2 = 2 Ω. Určete proudy v rezistorech.

3. Dva paralelně řazené rezistory o odporech R1 = 30 Ω a R2 = 60 Ω jsou připojeny ke zdroji napětí U = 135 V. Načrtněte schéma, napište Kirchhoffovy zákony pro dané obvody a určete proudy protékající jejich jednotlivými částmi. Úlohu řešte: a) pro ideální zdroj

napětí; b) pro reálný zdroj napětí s vnitřním odporem 5 Ω.

Výsledky: 1. U1=15 V, U2=30 V, U3=45 V; 2. I1=90 mA, I2=30 mA; 3 a) I1=4,5 A, I2 =2,25 A I=6,75 A , b) I1=3,6 A , I2=1,8 A , I=6,75 A.

3.7 Základní obvodové prvky v silnoproudé elektrotechnice

Rozdělení obvodových prvků podle způsobu použití

spínací přístroje – používají se k ovládání elektrických zařízení, rozdělují se na:

o spínací přístroje pro zapínání a vypínání provozních proudů (běžně vypínače,

přepínače, stykače, relé apod.)

o odpojovací a uzemňovací přístroje pro zajištění bezpečnosti obsluhy (odpojovače, odpojovací pojistky)

o jisticí a ochranné přístroje (pojistky, jističe, nadproudová relé, chrániče)

o omezující přístroje (přepěťové ochrany, bleskojistky)

53

měřicí přístroje – měří hodnoty elektrických i neelektrických veličin, podle způsobu

zobrazení nebo záznamu měřené veličiny se rozdělují na analogové, digitální, osciloskopy, registrační přístroje apod.

signalizační přístroje – signalizují stav elektrického zařízení, např. zapnuto, vypnuto, porucha apod., nejčastěji se využívá signalizace optické a akustické (signálky,

padáčková relé, houkačky, klaksony)

regulační přístroje – používají se k plynulé regulaci elektrických veličin (tyristorové

měniče, regulační transformátory apod.)

spojovací přístroje pro trvalé spojení obvodů (svorkovnice, vidlice, zásuvky,

konektory apod.)

ostatní přístroje používané v elektrických obvodech, jako např. odporníky, tlumivky,

elektromagnety, usměrňovače apod.

3.7.1 Spínací přístroje

Spínací přístroje tvoří nejširší okruh elektrických přístrojů a proto jim budeme věnovat

dále.

3.7.2 Signalizační přístroje

Signalizační přístroje podávají informaci o stavu elektrického zařízení. Podle způsobu, jakým je informace poskytována, rozeznáváme signalizaci optickou, akustickou nebo

vibrační. Příkladem kombinace těchto tří signalizací je mobilní telefon. Signalizační přístroje představují širokou škálu přístrojů od nejjednodušších žárovkových signálek nebo houkaček

až po komplexní poskytování informací o elektrickém zařízení složitými počítačovými systémy. V elektrických zařízeních se především používá signalizace optická a akustická, popřípadě

jejich kombinace. Optická signalizace je vhodná v případech, kdy obsluha zařízení má signalizační přístroje stále pod zrakovou kontrolou. Výhodou akustické signalizace je to,

že působí v celém prostoru pro obsluhu zařízení a není nutná přítomnost obsluhy na jednom vymezeném místě. Nevýhodou akustické signalizace je omezené použití v místech s velkým hlukem. Proto se v praxi obě signalizace často kombinují a signalizační přístroje se umisťují

na větším počtu míst. Ke zdůraznění signalizace v případě nenormálních nebo nebezpečných stavů se používá přerušovaný světelný nebo zvukový signál včetně jejich kombinace.

Význam barev při signalizaci

Barva Význam Příklad použití

červená

nebezpečí, havárie nutný okamžitý zásah, závažná porucha elektrického zařízení

žlutá

mimořádný stav, méně závažná

porucha

přetížení, výpadek napájení,

kritické hodnoty teploty

zelená

bezpeční, normální provozní stav

není zapotřebí žádný zásah

modrá

zvláštní význam je nutný zásah obsluhy

bílá

všeobecná informace indikace stavu el. zařízení podle popisu

54

3.7.3 Regulační přístroje

Používají se k plynulé regulaci elektrických veličin. Mezi nejpoužívanější patří

regulační transformátory (na obrázku zcela vlevo) a v současnosti tyristorové měniče (obr. vpravo) či softstartéry (obr. uprostřed).

3.7.4 Spojovací přístroje

Používají se k trvalému nebo přechodnému spojení elektrických obvodů. Patří sem například svorkovnice (obrázek vlevo), svorkovnice pro připojení většího počtu vodičů

stejného potenciálu (uprostřed svorkovnice pro připojení střeních vodičů, tzv. nulový můstek). Mezi jednoduché spojovací přístroje pro přechodné spojení patří zdířky, do kterých se zasouvají banánky.

Mezi nejběžnější spojovací přístroje patří zásuvky a vidlice. Velké množství vodičů lze

spojovat s pomocí konektorů.

3.7.5 Ostatní přístroje používané v elektrických obvodech

V elektrických zařízeních se používá celá řada dalších přístrojů. Mohou to být například:

Tlumivky

Používají se k omezení zkratových proudů v síti (reaktory) utlumení proudových nebo napěťových nárazů, jako předřadníky k zářivkám nebo výbojkám nebo jako odrušovací členy.

(Více viz kapitola Elektromagnetická indukce.)

55

Kondenzátory

Rovněž použití kondenzátorů v elektrických zařízeních je rozsáhlé. V napájecích

zdrojích filtrují usměrněné střídavé napětí, používají se k rozběhu jednofázových asynchronních motorů, ke kompenzaci induktivního jalového výkonu a celé řadě dalších

aplikací.

Odrušovací členy složené z kondenzátorů a tlumivek

Odrušovací členy se skládají z kondenzátorů nebo z kombinace kondenzátorů a tlumivek. Zabraňují šíření rušivých vlivů, které vznikají například při jiskření uhlíkových

kartáčů v komutátorových motorech, při startování zářivkového svítidla a v celé řadě dalších zařízení.

Rezistory různého výkonu

Rezistory se převážně používají k omezení napětí a proudů, mohou být využity také jako topná tělesa.

Usměrňovače

Používají se k usměrnění střídavého proudu. Podle zapojení mohou být jednocestné, dvoucestné nebo můstkové. Podle počtu fází jednofázové a třífázové. Na obrázcích zleva

vidíme dříve používaný selénový usměrňovač, křemíkové diody na malé proudy, křemíkovou diodu na větší proud, integrovaný usměrňovací můstek a výkonový usměrňovač.

56

3.8 Elektrické spínací přístroje

Spínač

Spínač je obecný název pro spínací přístroj. Patří sem vypínače, přepínače, tlačítka,

stykače, relé a všechny přístroje, které ovládají elektrické obvody a zařízení. Podle způsobu, jakým spínání probíhá, rozlišujeme:

kontaktní spínání, při kterém jsou elektrické obvody spínány pomocí mechanicky

ovládaných kontaktů

bezkontaktní spínání, při kterém jsou elektrické obvody spínány pomocí tranzistorů,

tyristoroů, triaků, integrovaných obvodů apod.; v minulosti se k bezkontaktnímu spínání používaly elektronky nebo plynem plněné výbojky

Spínání

Spínáním rozumíme zapínání, vypínání nebo přepínání elektrických obvodů s pomocí

běžných spínacích přístrojů, odpojování, připojování nebo přepojování elektrických obvodů s pomocí přístrojů označených jako odpojovače, odpínání elektrických obvodů s pomocí přístroje označeného jako odpínač nebo zátěžový odpojovač.

Vypínač

Vypínač je nejjednodušší elektrický přístroj, který se používá k zapínání nebo

vypínání elektrických zařízení. Má vždy dvě polohy (vypnuto, zapnuto) a ovládá jeden elektrický obvod nebo jedno elektrické zařízení. Může být jednopólový, dvoupólový, trojpólový, čtyřpólový nebo vícepólový.

Přepínač

Přepínač je elektrický přístroj, který ovládá minimálně dva elektrické obvody. Může

mít dvě i více poloh. Rovněž může mít i více pólů.

Počet poloh spínače

Polohou rozumíme počet funkčních stavů, které může spínač mít. Vypínač má polohy

dvě – vypnuto a zapnuto. Přepínač, kterým ovládáme směr otáčení motoru má polohy tři – chod nalevo, vypnuto, chod napravo

Počet pólů spínače

Počet pólů udává, kolik kontaktů spínače současně zapíná nebo vypíná. V jednofázových obvodech obvykle používáme jednopólové přístroje, ve stejnosměrných

dvoupólové a v třífázových trojpólové.

Tlačítko, tlačítkový ovladač, otočný ovladač s jednou stabilní polohou

Tlačítko nebo tlačítkový ovladač mají jednu pevnou klidovou polohu. Po stisknutí hmatníku dojde k sepnutí tlačítka, po uvolnění se tlačítko vrátí do klidové polohy.

Protože tlačítko nebo tlačítkové ovladače mohou mít pouze dvě polohy, pro náročnější aplikace se používají otočné ovladače, které mohou mít tři i více poloh (například pro ovládání směru a rychlosti otáčení motoru). Jejich ovládací mechanismus je konstruován tak,

aby se po uvolnění samočinně navrátil do vypnutého stavu.

57

3.8.1 Rozdělení spínacích přístrojů podle funkce

Jak už bylo uvedeno v úvodní kapitole, spínací přístroje podle funkce rozdělujeme do níže uvedených skupin. V praxi se často setkáváme s tím, že jeden přístroj může mít i více

funkcí, např. spínací a jisticí, jisticí a ochrannou apod.

Funkce spínacích přístrojů

spínací přístroje pro zapínání a vypínání provozních proudů (běžně spínače, stykače,

relé apod.)

odpojovací a uzemňovací přístroje pro zajištění bezpečnosti obsluhy (odpojovače,

pojistkové odpojovače)

jisticí a ochranné přístroje (pojistky, jističe, chrániče)

omezující přístroje (přepěťové ochrany – svodiče přepětí, bleskojistky)

3.8.2 Hlavní části spínacích přístrojů

Spínací přístroje mají velmi rozdílná konstrukční provedení. Převážná většina z nich má tyto

hlavní části: mechanismy, kontakty, zařízení pro zhášení oblouku a vlastní těleso přístroje

s kryty.

3.8.2.1 Mechanizmy spínacích přístrojů

Mechanizmy pro ruční ovládání

Mezi nejběžnější mechanizmy pro ruční ovládání spínacích přístrojů patří páčky,

kolébky, hmatníky tlačítek, uzamykací mechanizmy a otočné páčky a páky, jak je zřejmé z následujícího obrázku.

Mechanizmy pro mechanické ovládání

Nejrozsáhlejší soubor ovládacích hlavic je možné uvidět u koncových spínačů. Mohou

to být ovládací kladky, tyče, tlačítka, kladky s čepem, přítlačné kladky, vytahovací kroužky a další.

58

Aretační mechanizmy

- používají se u otočných nebo posuvných spínačů k vymezení

polohy pevné i pohyblivé části tak, aby kontakty byly ve správné poloze. Aretace

pracuje na principu překonání tlaku pružiny nebo pružin, které tlačí kuličku nebo váleček do mezery mezi zuby. Při přepínání je nutné silou překonat tlak pružiny bránící

kuličce nebo válečku v pohybu přes zub, po překonání vrcholu zubu tlak pružiny napomůže dokončit pohyb a nastavit správnou polohu kontaktů.

Volnoběžka

Volnoběžka je mechanizmus vložený mezi ovládací páčku a mechanismus ovládající

pohyb kontaktu, který umožní samočinné vypnutí přístroje bez ohledu na to, v jaké poloze je ovládací páčka.

Volnoběžka plní, tyto funkce:

přenáší pohyb ovládacího

mechanismu na kontakty

drží v napnutém stavu vypínací pružiny, které zajišťují mžikové vypnutí

uvolní pružiny a vypne kontakty po reakci vybavovacího mechanismu

umožní samočinné vypnutí i během zapínání, např. při zkratu v obvodu

Používá se především u jističů a chráničů. Při zapínání jističe při zkratu nebo chrániče při úniku proudu volnoběžka okamžitě vypne. V případě jističe, který vypne vlivem nadproudu,

nejde jistič zapnout do té doby, než nadproudová spoušť zchladne. Příklad volnoběžky vidíme na obrázku jističe.

U některých přístrojů má volnoběžka další funkci. Před zapínáním je nutné přístroj tzv.

natáhnout, tzn. ovládací mechanizmus přitlačit do vypnutého stavu. Pokud se to neprovede, přístroj nejde zapnout. Toto řešení brání neúmyslnému zapnutí přístroje např. při zachycení

oděvem apod.

Vybavovací mechanizmy

Vybavením rozumíme samočinné vypnutí

elektrického přístroje, např. jističe při zkratu nebo nadproudu. Vybavovací mechanismus působí na vypínací pružiny, které jsou

drženy v zapnutém stavu západkou volnoběžky. Kontakty se rozpojí buď elektromagnetickým, nebo mechanickým uvolněním západky. K samočinnému vypnutí může dojít např.

zkratovou, nadproudovou nebo podpěťovou spouští. Na obrázku jističe v dolní části vidíme bimetalovou

nadproudovou spoušť, v horní části elektromagnetickou zkratovou spoušť.

59

Blokovací mechanizmy

Slouží k vzájemnému blokování přístrojů tam, kde činnost jednoho přístroje je závislá na zcela určité činnosti nebo poloze jiného přístroje. Blokování může být mechanické,

elektrické, pneumatické nebo kombinované. Na obrázku vidíme příklad vzájemného blokování dvou tlačítek.

Tlačítko 1 při stisknutí zatlačilo blokovací mechanismus do výřezu tlačítka 2, které nejde stisknout. Po uvolnění tlačítka 1 pružina vrátí blokovací mechanismus

do klidové polohy, ve které můžeme stisknout kterékoliv tlačítko. Stiskneme-li nyní tlačítko 2, zablokuje nám tlačítko 1.

3.8.2.2 Pohony přístrojů

Jsou určeny k vyvolání pohybu kontaktového ústrojí. Elektromagnetické pohony se používají pro stykače, relé, jističe, menší vypínače vysokého

napětí, brzdy, spojky, elektromagnetické ventily apod. Pružinové pohony využívají energie napnuté zapínací pružiny, která se napíná ručně,

elektromotorem nebo pneumaticky. Dříve se používaly u některých typů časových relé a časových spínačů. Motorové pohony používají stejnosměrné nebo střídavé motory, které pomocí vhodně

volených převodů a volnoběžky působí na kontaktní ústrojí. Používají u výkonových olejových vypínačů vysokého napětí, u nízkonapěťových přístrojů v časových relé nebo

zapisovačích. Tlakovzdušné pohony se používají výhradně pro tlakovzdušné vypínače vysokého a velmi vysokého napětí, u nichž stlačený vzduch působí současně jako zhášedlo.

Hydraulické pohony se používají především u velkých výkonových vypínačů velmi vysokého napětí, u nichž by ostatní pohony byly příliš rozměrné nebo málo účinné.

3.8.3 Kontakty spínacích přístrojů

Kontakty jsou nejdůležitější částí elektrického přístroje a jsou určeny k tomu, aby stykem převáděly elektrický proud v místě, kde se obvod přerušuje. Jeden kontakt bývá

pohyblivý a jeden pevný. Slouží ke spínání elektrických obvodů, jsou nejvíce mechanicky i elektricky namáhanou částí přístroje.

Rozdělení kontaktů podle funkce v obvodech:

Hlavní kontakty (silové) – zajišťují spínání výkonových (silových) elektrických obvodů

Opalovací kontakty – používají se pouze k hoření elektrického

oblouku při zapínání a vypínání, jsou vyrobeny z materiálu

odolného proti opalování elektrickým obloukem. Mohou mít funkci mžikových kontaktů. Na obrázku vlevo jsou kontakty s opalovací vrstvou, vpravo hlavní a opalovací kontakt.

Mžikové kontakty – kontaktní systém

přístroje je rozdělen na dvě části – hlavní

60

kontakty pro vedení pracovních proudů a mžikové kontakty pro velmi rychlé spínání a

vypínání se zvýšenou odolností proti elektrickému oblouku. Mžikové kontakty spínají dříve než hlavní kontakty a vypínají později než hlavní kontakty. Mezi hlavními

kontakty v tomto případě nemůže vzniknout elektrický oblouk.

Pomocné kontakty (ovládací) – používají se ke spínání ovládacích a signalizačních

obvodů. Bývají dimenzovány na proudy do 10A.

Rozdělení kontaktů podle způsobu spínání:

spínací (zapínací) – v klidu jsou vypnuté, při zapnutí přístroje sepnou (zapnou) elektrický obvod

rozpínací – v klidu jsou zapnuté, při zapnutí přístroje vypnou (rozpojí) elektrický obvod

přepínací – při zapnutí přístroje nejprve rozpínací část vypne (rozpojí) jeden elektrický obvod a potom spínací část sepne (zapne) druhý elektrický obvod

přepínací bez přerušení elektrického obvodu – při zapnutí přístroje nejprve spínací část sepne zapínaný elektrický obvod a potom rozpínací část rozpojí odpojovaný elektrický

obvod – po dobu spínání jsou sepnuty oba obvody

Kontakty přístrojů a zařízení pro nízká napětí

Nožové kontakty

Nožový kontakt se zasouvá mezi přítlačné části pevného kontaktu. Výhodou je dobrá vodivost a

schopnost odstranit vrstvu nečistot nebo oxidů na povrchu vlivem tření. Nevýhodou je velká síla pro zapínání nebo vypínání. V současnosti se používají u výkonových (nožových) pojistek a pojistkových

odpojovačů.

Můstkové kontakty

Kontakty jsou tvořeny pohyblivou částí (můstkem), který propojuje pevné části kontaktu. Do sepnutého stavu je můstek tlačen pružinou. Výhodou je přerušení obvodu na dvou místech a tím účinnější

zhášení elektrického oblouku. Můstkové kontakty patří k nejpoužívanějším.

Palcové kontakty

Pohyblivý palec se spojí s pevným kontaktem a tím spojí elektrický obvod. Do sepnutého stavu je tlačen pružinou. Při

spínání může dojít také ke tření kontaktních ploch, které zaručí očištění povrchů a tím dobrou vodivost. Nevýhodou je nutnost vodivého propojení palce s přívodní svorkou ohebným vodičem, což

bývá při jeho porušení příčinou poruch o poškození čepů pohyblivých částí kontaktu procházejícím proudem.

61

Pérové kontakty (reléové)

Používají se pro malé hodnoty proudů. Dokonalý styk je zajištěn pružností materiálu kontaktu. Používají se převážně u relé. Dříve se používaly u

některých druhů vícepólových sdělovacích spínačů, např. v telefonní technice.

Kluzné kontakty

Pohyblivý kontakt klouže po pevném kontaktu, čímž zajišťuje dobrou vodivost sepnutí.

Nevýhodou je větší síla potřebná při spínání. Tyto kontakty se používají u posuvných spínačů, dříve byly rozšířeny u válcových spínačů.

Kartáčové kontakty

Používají se u pohyblivých spojů, např. jako přívody do rotorů komutátorových nebo

kroužkových motorů a generátorů. Používají se také u elektrických lokomotiv nebo tramvají při

snímání proudu z trolejí. Jako kontakty se nejčastěji používají uhlíkové kartáče, které mají poměrně dobrou vodivost, nepoškozují povrch komutátoru, kroužků nebo troleje a jsou odolné proti

elektrickému oblouku. V jiných aplikacích lze použít také kartáče sestavené z pružných drátů nebo plechů.

Kapalinové kontakty

Nejběžnější kapalinou, která se v těchto kontaktech používala, byla rtuť. Ke spínání docházelo

naklápěním skleněné baňky a přeléváním rtuti. S ohledem na nepříznivý vliv rtuti na životní prostředí se rtuťové spínače nepoužívají. Spínání kapalinou lze použít také v jiných aplikacích, jako např. hlídání hladiny

vody s pomocí elektrod umístěných v nádobě.

Kontakty přístrojů pro vysoká a velmi vysoká napětí

Kontakty olejových výkonových vypínačů

Kontakt na obrázku je určen pro olejové vypínače. Pohyblivý kontakt vykonává přímočarý pohyb a zasouvá se do pevného,

tzv. tulipánového kontaktu, který je složen z lamel. Přítlačná síla lamel je zajištěna pružinami.

Konce lamel jsou legovány wolframem nebo molybdenem kvůli ochraně proti opálení vlivem elektrického oblouku.

Kontakty tlakovzdušných vypínačů

Na obrázku je znázorněn princip kontaktního systému tlakovzdušného vypínače. Pevný kontakt je opět tulipánového

provedení, pohyblivý kontakt se s pevným tulipánovým kontaktem jen stýká, nezasouvá se dovnitř. Přítlačnou sílu na lamely vyvíjí pružina.

62

Styčné plochy kontaktů jsou legovány pro zvýšení odolnosti proti opalování

elektrickým obloukem.

Kontakty vakuových spínačů

Zvláštní konstrukci mají kontakty vakuového spínače, uvedené na obrázku. Mají velký průřez

a drážky pro snadnější zhášení oblouku. Na obrázku vlevo je pohled na kontakt,

obrázek napravo znázorňuje rotaci elektrického

oblouku kontaktech, která přispívá k rovnoměrnému tepelnému zatížení kontaktů.

Stykový odpor

Z provedení různých druhů kontaktů vyplývá, že se proud z jednoho kontaktu na

druhý může převádět bodovým, přímkovým nebo plošným stykem. Ve skutečnosti se proud v kontaktech po jejich přitlačení na

sebe převádí vlivem nerovností na povrchu jen v menších náhodně rozložených ploškách. Velikost stykové plochy závisí na druhu styku, na přítlačné síle a na vlastnostech

materiálu kontaktů. Proud v kontaktu neprochází celou plochou, ale soustřeďuje se do stykových plošek. Vznikají

tzv. proudové úžiny a tím dochází ke zvětšení odporu. Odpor těchto úžin je dán součtem odporu kontaktního materiálu a odporu způsobeného nečistotami a oxidy na povrchu kontaktu.

Oteplení kontaktů

Prochází-li kontakty proud, dochází vlivem kontaktního odporu k úbytku napětí na

styku kontaktů. Vzhledem ke vznikajícím ztrátám se místo styku otepluje. Teplem dochází k měknutí materiálu kontaktů. Tím se stykové plochy zvětší a odpor se zmenší. Při dalším zvětšování proudu se teplota dále zvýší a dojde ke svaření kontaktů.

Zásady konstrukčního provedení kontaktů

Konstrukční provedení kontaktů se řídí těmito zásadami:

stanovení místa styku tak, aby elektrický oblouk vznikl na požadovaném místě

zabezpečení potřebné síly přitlačující kontakty během zapnutí (vhodné pružiny,

nezatěžování pružin průchodem proudu, oddělení místa sepnutí provozního proudu od místa vzniku a hoření oblouku – hlavní a opalovací kontakty

zajištění kontaktů výkonových přístrojů proti namáhání elektrodynamickými silami

technické řešení k odstraňování nečistot a oxidů z povrchu kontaktů při spínání Jako kontaktní materiály se používají ryzí kovy, slitiny a spékané kovy.

Požadavky na kontaktní materiály

Dobrá elektrická vodivost

63

Důležitá je dobrá vodivost nejen materiálu kontaktu a kontaktní vrstvy, ale především

dobrá vodivost stykových ploch. Nebude-li tato podmínka splněna, bude se celý kontakt zahřívat, což může vést k jeho svaření, vyhřátí a ztrátě mechanických vlastností, popř.

k roztavení nebo vyhoření izolantů, na kterých jsou kontakty upevněny.

Odolnost proti elektrickému oblouku

Elektrický oblouk opaluje stykové plochy kontaktů a vypaluje do nich prohlubně. Na stykových plochách se usazují kuličky vzniklé roztavením kontaktního materiálu. To vše způsobuje zhoršení vodivosti kontaktu a jeho zahřívání procházejícím proudem.

Mechanické vlastnosti

Materiál kontaktních vrstev musí být dostatečně pevný, houževnatý a přiměřeně tvrdý.

Nesmí být měkký, aby se kontaktní vrstvy neroznýtovaly, ale ani příliš tvrdý, protože by se dotykové plochy nemohly navzájem přizpůsobit. Materiál kontaktů má být pružný, u velkých kontaktů se pružnost zajišťuje s pomocí pružin. Nesmí být křehký, aby nedocházelo

k ulomení kontaktů.

Odolnost proti oxidaci, působení vlhkosti a chemických látek

Aby byla zaručena dobrá vodivost stykových ploch, musí zůstat čisté a dobře vodivé. Vrstvy oxidů a jiných nečistot zvyšují vodivost a v případě slaboproudých kontaktů při velmi malých napětích se kontakt stává nevodivý.

Ryzí kovy používané na výrobu kontaktů

Měď

Je-li její povrch čistý, má dobré kontaktní vlastnosti. Snadno se však pokrývá vrstvou oxidu, který může způsobit nadměrné oteplení kontaktu vlivem zvětšení kontaktního odporu.

Vhodným konstrukčním řešením lze zabezpečit čištění kontaktních ploch (odvalování, tření). Nevýhodou je rozstřikování kapiček kovu působením elektrického oblouku.

Stříbro

Kysličníky stříbra jsou dobře vodivé. Stříbro však má malou tvrdost a špatnou odolnost proti elektrickému oblouku. Další jeho nevýhodou je slučování se sírou ve vlhkém prostředí. Stříbro je vhodné pro kontakty s čelním stykem. Obvykle se pájí nebo plátuje

na měděnou podložku.

Wolfram

Pro svou velkou tvrdost, vysokou teplotu tání a tím i odolnost proti elektrickému

oblouku se používá pro opalovací kontakty.

Uhlík

Je odolný proti elektrickému oblouku. Používá se především na kartáče při přenosu proudu do pohyblivých částí – motory, generátory, trolejové sběrače apod.

64

Zlato, platina

Tyto drahé kovy se používají jen na drobné kontakty nebo na povlaky větších

kontaktů. Jejich výhodou je odolnost proti působení chemických látek. Proto se uplatňují v elektronice, kde spolehlivě spínají i velmi malá napětí.

Slitiny a spékané kovy pro výrobu kontaktů

Stříbro – kadmium

Používá se jako slitina i jako spékaný kov. Má dobré vlastnosti, je odolná proti svaření a mechanickému opotřebení.

Stříbro – nikl

Používá se jako spékaný kov. Je to výborný kontaktní materiál s dobrou odolností proti elektrickému oblouku. Má dobrou tepelnou a elektrickou vodivost.

Stříbro – uhlík

Uhlík v tomto spékaném materiálu omezuje možnost svaření kontaktů. Nevýhodou je

malá odolnost proti opotřebení.

Stříbro – wolfram

Jako spékaný kov má velkou odolnost proti opotřebení, vysokou teplotu tání a dobrou elektrickou vodivost. Má však sklon ke korozi.

3.8.4 Zařízení pro zhášení oblouku

U výkonových přístrojů je nutné omezit působení elektrického oblouku na co nejkratší dobu, aby nedocházelo k poškozování kontaktních stykových ploch.

Elektrický oblouk je nutné co nejrychleji natáhnout a ochladit. K tomu se používají zhášecí komory, zhášecí cívky nebo zařízení pro

tlakovzdušné nebo tlakoplynné zhášení. Tato problematika je popsána v samostatné kapitole. Na obrázcích je vlevo zobrazena

zhášecí komora a vpravo výkonový stejnosměrný stykač se zhášecími komorami a cívkami.

3.8.4.1 Vznik a zhášení elektrického oblouku

Elektrický oblouk vzniká při zapínání i vypínání elektrických obvodů. Jeho velikost je

závislá na velikosti napětí a proudu. Při vypínání rozhoduje také druh proudu – stejnosměrný nebo střídavý.

a) Vznik elektrického oblouku při zapínání

Při zapínání dochází ke vzniku elektrického oblouku tehdy, přiblíží-li se kontakty

k sobě na vzdálenost, ve které je napětí vyšší než elektrická pevnost prostředí mezi kontakty, tj. vzduchu, plynu, vakua nebo oleje. Napětí, při kterém k tomu dojde, se nazývá průrazné napětí. Elektrická pevnost se pohybuje u suchého vzduchu mezi 2 až 3 kV/mm, u plynu

fluoridu sírového kolem 13 kV/mm a u oleje mezi 10 až 30 kV/mm.

65

Protože kontakty se při zapínání velmi rychle přibližují, hoří elektrický oblouk při zapínání

jen po velmi krátkou dobu a obvykle nezpůsobuje problémy.

b) Vznik elektrického oblouku při vypínání

Elektrický oblouk vzniká při oddálení kontaktů, jimiž prochází proud. Kontakty

spínacího přístroje jsou v zapnutém stavu na sebe přitlačovány silou (pružinami nebo vlastní pružností), která tlakem na stykové plochy zajišťuje jejich dobrý styk a tím i vodivost. V okamžiku vypínání dochází k uvolňování tlaku na kontakty, stykové plochy se zmenšují, až

dojde k přerušení styku mezi kontakty. V posledních okamžicích spojení kontaktních ploch se zvýší teplota kovu ve stykových bodech natolik, že se kov kontaktu začne odpařovat.

Energie nahromaděná v indukčnostech a kapacitách obvodu způsobí mezi kontakty přepětí, které způsobí vznik oblouku mezi nimi.

Vznik oblouku závisí na celé řadě činitelů, jako je např. materiál a tvar kontaktů,

parametry obvodu, prostředí mezi kontakty apod. Oblouk způsobuje značný přenos materiálu kontaktů, což značně zkracuje dobu života spínacích přístrojů. V jiných případech, jako např.

při elektrickém obloukovém svařování, může být přenos materiálů žádoucí. Oblouk představuje samostatný výboj, který je soustředěn do úzkého sloupce. Oblouk

se skládá z jádra, tj. plazmatu, anodové a katodové elektrodové oblastí. Plazma je sloupec

plynu zahřátého na vysokou teplotu, takže je v něm kromě neutrálních částic velké množství částic s elektrickým nábojem (kladné a záporné ionty, elektrony). Počet částic je elektricky

vyrovnán, takže plazma se jeví navenek jako neutrální. Plazma však má značnou energii a dobrou vodivost. Vedení proudu způsobují s ohledem na značnou pohyblivost elektrony. Napětí, které se objeví mezi kontakty (elektrodami), je způsobeno zejména úbytky napětí při

přechodu z plazmatu do kontaktů.

Prostředí oblouku je ionizováno, prostor se stává vodivým a oblouk se může trvale udržet.

Celý jev je podporován ionizací kovových par kontaktů vlivem vysoké teploty oblouku od 6 000 do 15 000 K. Je zřejmé, že delší a časté působení oblouku vede ke zničení kontaktů

a také dalších částí spínacího přístroje.

66

Způsoby zhášení elektrického oblouku

V silnoproudých zařízeních jsou vždy ve vypínaných obvodech obsaženy indukčnosti a kapacity, které při vypínání mezi kontakty způsobují přepětí a proto téměř vždy dochází ke

vzniku oblouku. Délka oblouku je závislá na velikosti proudu a ovlivňuje hlavní rozměry přístrojů.

Aby nedocházelo k nadměrnému poškozování kontaktů, je nutné dobu hoření oblouku zkrátit zhášením. Vypínací čas však nelze zkracovat neomezeně, neboť by docházelo ke vzniku velkých přepětí ohrožujících izolaci přístroje.

Zhášení oblouku stejnosměrného proudu

Zhášení elektrického oblouku ve stejnosměrných obvodech je náročnější než v obvodech střídavých, kde proud prochází dvakrát během periody nulovou hodnotou.

Hodnota stejnosměrného proudu se však nemění. Zhášením oblouku se sleduje zvětšení jeho odporu prodloužením a ochlazením. Dosahuje

se toho následujícími způsoby: Zvětšením délky oblouku jeho rozdělením na několik kratších oblouků hořících

v sérii – nadměrné zvětšování délky oblouku značně zvětšuje rozměry celého spínače

Zvětšením délky oblouku s použitím tzv. magnetického vyfukování s použitím

zhášecí cívky

V prostoru, kde hoří oblouk, vytváříme příčné magnetické pole, které zvětšuje rychlost pohybu oblouku a jeho vytlačování mezi přepážky zhášecí komory (viz obrázek). Zhášecí cívka je zapojena do série s kontakty a vytváří v plechových pólových nástavcích magnetické

pole, které působí na magnetické pole vytvořené obloukem. Silovým působením obou magnetických polí je oblouk vytlačován směrem vzhůru mezi přepážky zhášecí komory, čímž

se urychluje zhasnutí oblouku.

Zhášení oblouku střídavého proudu

Oba uvedené způsoby pro zhášení oblouku stejnosměrného proudu lze použít

i ke zhášení oblouku střídavého proudu. Jsou však vhodné pro obvody nízkého napětí a pro menší proudy.

67

Při vypínání střídavého proudu v okamžiku, kdy jeho průběh prochází nulovou hodnotou,

může při menších proudech dojít ke zhasnutí oblouku i bez použití zhášecích komor (tzv. samozhášení).

Při větších proudech zůstává prostor mezi kontakty ionizovaný a vlivem tzv. zotaveného napětí dojde ke znovuzapálení oblouku. Ten je však slabší než oblouk předchozí. Děj se opakuje až do doby, kdy ionizace se sníží natolik, že již ke znovuzapálení oblouku

nedojde. Při použití systému samozhášení tvoří izolační zhášecí komory kontaktů pouze

oddělení jednotlivých pólů a izolaci proti ostatním částem přístroje. Tento způsob zhášení se používá u všech pomocných spínačů, stykačů a vypínačů s vypínacími proudy do několik set ampérů. Pro větší proudy se používají zhášecí komory s úzkými štěrbinami.

Pro obvody vysokého a velmi vysokého napětí se pro zhášení oblouku střídavého proudu používá cizí zhášecí prostředek, který urychluje deionizaci prostředí. Urychlení deionizace lze

dosáhnout plynem, kapalinou nebo vakuem.

Zhášení tlakoplynné (tlakovzdušné)

Na vznikající oblouk působíme tak, že jej chladíme proudem plynut vstupujícím do prostoru vzniku oblouku. Teplota oblouku se působením proudícího plynu rychle snižuje a oblouk se současně rozrušuje i mechanicky. Plyn se může vhánět způsoby uvedenými

na obrázku. Tryska pro vhánění plynu může být umístěna buď přímo v kontaktech, nebo mimo ně.

Pro zhášení se používá buď vzduch, nebo elektronegativní plyn fluorid sírový SF6. Výhodou tohoto plynu je, že snadno váže volné elektrony, které jsou hlavní příčinou vzniku elektrického oblouku, a lépe než vzduch odvádí z oblouku teplo. Nevýhodou plynu je vznik

chemických látek při styku s obloukem, proto musí spínání probíhat v hermeticky uzavřené komoře.

Zhášení oblouku v kapalině

Jako zhášecí kapalina se v současnosti používá olej, jehož

zhášecí efekt spočívá v intenzívním chlazení a v deionizaci zbytkového sloupce oblouku vlivem plynů vzniklých rozkladem oleje. Tyto plyny se skládají především z vodíku, který se vyznačuje

velkou tepelnou vodivostí a při vyšším tlaku také velkou elektrickou pevností. Princip činnosti je založen na tzv. tlakové zhášecí komoře

68

znázorněné na obrázku vpravo.

Oblouk v této izolační komoře vytvoří vysoký tlak, který vede k rychlému proudění, a tím vznikne mohutný zhášecí efekt při vysunutí kontaktu otvorem komory. Tento princip

byl zlepšen tím, že se nyní používá podélné nebo příčné proudění oleje. Olejová zhášedla olejových a máloolejových vypínačů jsou funkčně dokonalá, ale nevýhodou zůstává opotřebení oleje (spalování) a jeho hořlavost. V minulosti se používalo z tohoto

hlediska vhodnější zhášedlo – voda. Rozkladem vody vzniká vodík, voda má navíc velké výparné teplo a velkou měrnou tepelnou kapacitu, ale nemá dostatečnou elektrickou pevnost.

Přesto se však dříve vyráběly tzv. expanzní vypínače, v nichž zhášedlem byla chemicky upravená voda (expanzin).

Zhášení elektrického oblouku ve vakuu

Při hoření oblouku ve vakuu se vytvoří páry

elektrodového kovu. Při dostatečně nízkém tlaku vzniká tzv. vakuový oblouk, který elektromagnetické síly nestačí

soustředit do úzkého sloupce. Zatímco na katodě jsou žhavé katodové skvrny emitující elektrony, které převážně zabezpečují přenos proudu, je anoda poměrně studená. Při

průchodu proudu nulovou hodnotou se rozptýlí ionizované částice na stínicí elektrody.

Vakuový vypínač má kontakty umístěné v izolační nádobě (keramika, sklo) a pohyblivý kontakt je přes kovový vlnovec spojen s pohonem. Zhášení závisí na čistotě elektrod. Obtíže vznikají při konstrukci těchto spínačů, neboť je nutné zajistit

dlouhodobé udržení vakua a vyrobit kontakty z dokonale čistých kovů odolných proti svaření. V současné době se tento způsob uplatňuje u stykačů na vysoké napětí, neboť pro

napětí např. 20 kV je vzdálenost mezi kontakty jen 6 mm.

3.9 Základní obvodové prvky v elektronice

Mezi základní obvodové prvky v elektronice řadíme především rezistory, kondenzátory,

cívky, transformátory, diody, tyristory, diaky, triaky, tranzistory a integrované obvody. S částí z nich jsme se již seznámili v předchozích kapitolách. Připomeňme si však, podle kterých kritérií obvodové součástky dělíme viz. tabulka:

69

3.9.1 Cívky

Cívky jsou dvojpólové součástky, konstruované takovým způsobem, aby vytvořily

vlastní indukčnost L definované velikosti. Cívku vytvářejí závity vodiče, které jsou uspořádány do jedné nebo několika vrstev. Prostor, který závity obepínají, má obvykle

kruhový, čtvercový nebo obdélníkový průřez. Indukčnost cívek závisí na počtu závitů, jejich geometrickém uspořádání a na magnetických vlastnostech prostředí, které závity obepínají,

i které cívky obklopuje. Podle konstrukce je možné cívky rozdělit na dvě velké skupiny: cívky bez jádra (vzduchové) cívky s jádrem (většinou z magneticky vodivého materiálu)

Prochází-li elektrický proud I uzavřeným obvodem (představme si jej

pro jednoduchost jako jednu uzavřenou smyčku), vzniká magnetický tok (ϕ), pro který platí:

70

Φ = L ∙ I kde ϕ velikost magnetického toku Wb (Weber) L vlastní indukčnost smyčky H (Henry) I proud protékající smyčkou A

Vytvoříme-li cívku z N výše zmíněných smyček (závitů), bude při stejném protékajícím proudu výsledný indukční tok N – krát větší a indukčnost L se zvětší:

Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce časová změna magnetického

toku indukuje v uzavřené vodivé smyčce napětí (případně proud) nezávisle na tom, jakým

způsobem byla tato změna vyvolána (tj. pohybuje-li se smyčka v časově stálém magnetickém poli, nebo mění-li se toto magnetické pole ve stojící smyčce).

Záporné znaménko ve zmíněném zákonu respektuje Lenzovo pravidlo, které říká,

že indukovaný proud (a tudíž i napětí) působí proti změně, která jej vyvolala. Jinými slovy, cívka brání změnám proudu. Napětí přiložené na svorky cívky způsobuje časový nárůst

proudu cívkou. Čím větší bude indukčnost L, tím pomaleji bude proud narůstat pro dané napětí U. Cívka má tedy indukčnost jednoho Henry, indukuje-li se v ní napětí jednoho voltu při rovnoměrné změně proudu o jeden ampér za jednu sekundu. Připomeňme si, že v případě

kondenzátoru tomu bylo z hlediska proudu a napětí naopak. Proud kondenzátorem způsobil časovou změnu napětí na jeho svorkách. Máme tedy k dispozici dvě navzájem analogické

součástky vycházející ze dvou analogických veličin. Kapacity vyplývající z popisu elektrického pole a indukčnosti vyplývající z pole magnetického. Po připojení cívky (například v sérii s rezistorem) na stejnosměrné napětí dochází k přechodovému ději, kdy

se v cívce indukuje napětí s polaritou působící proti napětí zdroje a proud proto narůstá na svou maximální hodnotu (ustáleného stavu) jen postupně. Výkon dodávaný cívce se nemění

v teplo, ale spotřebovává se na vytváření magnetického pole cívky. Po rozpojení obvodu, tj. po přerušení proudu cívkou, se nahromaděná magnetická energie uvolní zpět. V důsledku platnosti Lenzova pravidla je toto spojeno s nárůstem napětí na cívce, které může mít pro

spínač nepříjemné následky (vznik elektrického oblouku, proražení a podobně). V případě připojení cívky na zdroj střídavého napětí, klade cívka střídavému proudu

střídavý odpor označovaný jako induktivní reaktance: X L

Z uvedeného vzorce je zřejmé, že proudové a napěťové poměry jsou u ideální cívky opačné než u ideálního kondenzátoru. Maximum napětí tedy předbíhá maximum proudu

o 90°.

Energie magnetického pole cívky

Pro vytvoření magnetického toku musí elektrický proud vykonat práci. V prostoru

okolo vodiče i v samotném vodiči se nahromadí určitá energie. Tato energie je potřebná k vytvoření magnetického pole a zůstává v něm nahromaděna. Pro energii magnetického pole cívky pak platí:

71

Provedení cívek

Vzduchové cívky

Vzduchové cívky jsou konstruovány pro indukčnosti řádově mikrohenry, výjimečně

jednotek milihenry. Jsou používány převážně ve vf obvodech s kmitočtem řádově až stovky Hz. Použití v nf obvodech je tam, kde je kladen požadavek značné linearity indukčnosti při

proudových změnách (např. kmitočtová výhybka u reproduktorových soustav).

Obr. 16 Různá provedení vzduchových cívek

a) samonosná jednovrstvá cívka

b) vzduchová vícevrstvá cívka s vinutím na kostře c) plošná cívka

Cívky jsou realizované buď jako samonosné, případně se při větším počtu závitů vinou

na kostřičky z izolačního materiálu. Speciální skupinu tvoří tzv. plošné cívky, které jsou vytvořeny vyleptáním měděné fólie, tvořící obrazec plošného spoje do tvaru závitu. Jejich

oblast použití spadá především do vf obvodů v přijímací technice.

Cívky s jádrem Zvětšení indukčnosti cívky lze dosáhnout při srovnatelných rozměrech zvětšením

magnetického toku (snížením magnetického odporu). Toho lze dosáhnout, jestliže

se magnetický tok vytvořený v cívce uzavírá přes jádro z magneticky vodivého materiálu. Podle druhu použitého jádra dosahuje maximální indukčnost cívek s jádrem několik desítek

až stovek mH (cívky pro použití ve vysokofrekvenčních obvodech), případně až několik desítek henry (nízkofrekvenční tlumivky). Jádra jsou vyráběna z magneticky značně vodivých materiálů s malými hysterezními ztrátami. Elektrická vodivost jader musí být naopak

co nejmenší, aby ztráty vznikající v jádře průchodem vířivých proudů byly malé.

72

Cívky s magnetickým jádrem jednofázová tlumivka

Pro cívky s indukčností do několika set mikrohenry se používají jádra šroubová. Jádro má tvar šroubu s jemným závitem a lze ho šroubováním zasouvat do prostoru cívky a tím zvětšovat indukčnost. Cívky s větší indukčností využívají jader hrníčkových, která jsou

složena ze dvou stejných částí miskového tvaru. Jádro po složení zcela obklopuje cívku, takže rozptyl magnetického toku do okolí jádra je velmi malý. Cívka je navinuta na izolační kostře,

která je nasunuta na středním sloupku jádra. Nízkofrekvenční tlumivky se používají zejména ve filtračních článcích stejnosměrných napájecích zdrojů. Jsou realizovány pomocí jádra tvořeného transformátorovými plechy, jejichž magnetický obvod je přerušen vzduchovou

mezerou. Tato mezera omezuje možnost přesycení magnetického obvodu vlivem procházející stejnosměrné složky proudu.

Výpočet indukčnosti cívek

Pro výpočet indukčnosti jednovrstvé vzduchové cívky platí upravený Nagaokův vztah:

kde: L indukčnost cívky [μH]

k konstanta zohledňující poměr D/l D průměr cívky [cm] B délka cívky [cm]

N počet závitů

Řez jednovrstvou cívkou bez jádra

73

3.9.2 Transformátory

Jak již víme z elektrotechniky transformátor je netočivý stroj, který funguje

na principu vzájemné elektromagnetické indukci. V principu se jedná o dvě cívky umístěné blízko sebe, které sdílí své magnetické pole. Většinou se tyto cívky vinou na společné jádro

vyrobené z materiálu magneticky vodivějšího než vzduch např. železo (či ferit):

Schématické znázornění transformátoru

Použití jader:

Pro nízké kmitočty (50 Hz), ale také pro akustické frekvence) lze použít jádro železné.

Zmenšení ztrát lze docílit rozdělením jádra na plechy. V radiotechnice, vysokofrekvenčních měničích atd. lze používat jádra feritová. Ferit je

skoro nevodivý (omezuje vířivé proudy v jádře) a má menší magnetickou paměť čili užší hysterezní smyčku (menší magnetizační ztráty).

Pro ještě vyšší frekvence se používají transformátory bez jader. (např. Teslův

transformátor)

Princip činnosti transformátoru:

1. Na primární cívku přiložíme střídavé napětí.

2. Začne v ní růst proud takovou měrou, aby vznikající magnetické pole v cívce indukovalo právě takové napětí, jaké je na cívku připojeno.

3. Magnetický tok prochází všemi cívkami a tedy i na nich vzniká napětí. Z toho tedy

plyne, že přiložením napětí na primární cívku vytvoříme napětí i na sekundární cívce. 4. Pokud ze sekundární cívky odebíráme proud, vede to ke zmenšení magnetického pole

a o to větší proud odebírá primární cívka.

Pokud cívky nemají stejný počet závitů, můžeme takto měnit poměr napětí/proud. Platí, že napětí je úměrné počtu závitů podle transformační rovnice:

Transformovat lze pouze střídavý proud, a to tím snáze, čím je vyšší frekvence. Účinnost velkých transformátorů je okolo 98%.

74

V elektronice používáme malé transformátory navinuté na feritovém jádře, prstenci

nebo hrníčku (obr. vpravo) z důvodu vysokých frekvencí a tím nutnosti použít materiály s co nejužší hysterezní smyčkou. Tyto malé transformátory používáme jako oddělovací, ladící

nebo se s nimi setkáme ve spínaných zdrojích apod.

Vysokofrekvenční transformátory Hrníčkové jádro

3.9.3 Polovodičová dioda (přechod PN)

Základem většiny polovodičových součástek (diod, tranzistorů, svítivých diod,

mikroprocesorů, fotočlánků aj.) je tzv přechod PN. Jedná se o oblast styku dvou polovodičů s opačným typem vodivosti. Typickou vlastností přechodu PN je jeho usměrňovací účinek.

V jednom směru jím proud může procházet, zatímco v opačném směru nikoli. Mohou nastat tři stavy:

Přechod PN není připojen ke zdroji napětí: - v oblasti přechodu PN přejde část volných elektronů z oblasti N do oblasti P a tam rekombinují s "děrami". V tomto

prostoru se vytvoří oblast bez volných nábojů o šířce několika tisícin milimetru.

Přechod PN v závěrném směru: Připojíme-li k polovodiči P záporný pól

a k polovodiči N kladný pól zdroje, vzdalují se působením elektrických sil volné náboje od přechodu PN. Oblast bez volných nábojů se rozšíří, její odpor vzroste

a elektrický proud přechodem PN nemůže procházet. Nevodivé oblasti bez volných nábojů říkáme hradlová vrstva. Pokud bychom však dále zvyšovali závěrné napětí, dojde k průrazu hradlové vrstvy a tím k trvalému poškození diody.

75

Přechod PN v propustném směru: Připojíme-li k polovodiči P kladný pól

a k polovodiči N záporný pól zdroje, přecházejí působením elektrických sil volné elektrony přes přechod PN ke kladnému pólu a "díry" jsou přitahovány k zápornému

pólu. Hradlová vrstva prakticky zanikne a její odpor se výrazně zmenší. Takto zapojeným přechodem PN proud prochází.

Voltampérová charakteristika polovodičové diody

Je to graf závislosti proudu, který prochází diodou, na připojeném napětí. Rozlišujeme část charakteristiky v propustném směru, kdy potenciál anody je větší než katody, a část v závěrném směru, kdy je tomu naopak. Propustný směr značíme do prvního kvadrantu a část

v závěrném směru do III. kvadrantu.

Druhy diod

Diody pro síťové usměrňovače

Jsou konstruovány pro proudy desítek ampér a napětí desítek a stovek voltů technických frekvencí. Vyráběny jsou

z křemíku, převážně difúzní technologií. Vrstva niklu vytváří neusměrňující spojení s vývodem anody, nevlastní vodivost P je

vytvořená difúzí boru nebo galia na základní destičku. Následuje základní destička typu N a silně dotovaná vrstva N+, vytvářející neusměrňující přechod s vývodem katody.

Diody pro usměrňování malých VF proudů:

Plošné diody

Vyrábějí se z Si difúzní technologií, základní destička typu N – katoda, anoda je

vytvořena technologií difuze, krystal má rozměry 1x1mm.

Hrotové diody

Germaniové hrotové diody :

76

Ge krystal s nevlastní vodivostí typu N je čtvercového tvaru asi 1 x 1 (mm) tloušťky

0,1 mm. Na povrch germaniové destičky, tvořící katodu diody, je pružně přitlačován hrot tenkého wolframového drátku tvořící anodu, má pouze mechanický kontakt s povrchem

polovodičové destičky. Dobrého usměrňovacího účinku se dosáhne tzv. formováním, impulsem proudu asi 1 A, který projde diodou v přímém směru, tak vznikne miniaturní oblast s vodivostí typu P těsně pod místem dotyku hrotu. Nejlepších výsledků se dosáhne, obsahuje-

li hrot příměsi způsobující v germaniu vodivost typu P (např. Indium). Kapacita přechodu je asi 1 pF. Mezní frekvence kolem 100 MHz; ve speciálním

provedení až 1000 MHz. Závěrná napětí jsou několik desítek voltů a přípustné hodnoty usměrněných proudů jen 10 až 20 mA.

Diody se zlatým hrotem:

Základem diody je opět destička z germania typu N, která je katodou.

Drátek tvořící přívod k anodě je však zlatý s příměsí galia. Při formování dojde k přivaření zlatého drátku k polovodičovému krystalu, galium se rozpustí v roztaveném germaniu a vytvoří silně dotovanou oblast

typu P. Vznikne dioda s miniaturním slitinovým přechodem PN. Takto vyrobená dioda sdružuje v sobě výhodné vlastnosti hrotových i plošných diod.

Dioda má vysokou mezní frekvenci, asi 100 MHz a u některých typů diod až 1000 MHz. Výhodou je též menší odpor v přímém směru a větší odpor i menší proud ve zpětném směru, než mají diody hrotové.

Diody pro stabilizaci napětí:

Pro stabilizaci stejnosměrných napětí je možné využít vlastností přechodu PN plošných křemíkových diod vyrobených vhodným způsobem, které jsou polarizovány

ve zpětném směru.

Zenerova dioda

Dioda má velmi tenký přechod PN, při působení napětí ve zpětném směru vzniká velká intenzita elektrostatického

pole a dochází k vytrhávání elektronů z vazeb krystalové mřížky.To se projeví prudkým růstem zpětného proudu diody při téměř stálém napětí, dynamický vnitřní odpor

diody se zmenší z hodnoty několik MΩ na několik desítek až jednotek Ω.

Popsaný děj se nazývá Zenerův jev. Napětí, při kterém Zenerův jev nastává, se nazývá Zenerovo napětí. K vyvolání Zenerova jevu je třeba, aby E~107 V/m. Intenzita elektrostatického pole ve

vyprázdněné oblasti je při určitém napětí nepřímo úměrná její tloušťce. U nejtenčích vrstev se dosahuje kritické intenzity pole (Zenerova napětí) asi při 3 V. Při zvětšování tloušťky

přechodu Zenerovo napětí postupně stoupá a objevuje se další jev zvětšující proud ve zpětném směru, lavinový jev. Je-li přechod široký, je velká pravděpodobnost, že letící elektron narazí ve vyprázdněné oblasti na jiný elektron a uvolní ho z vazby. Oba elektrony jsou polem dále

urychlovány a během své cesty uvolní nárazem další elektrony, ty podobným způsobem opět další. Nastává lavinová ionizace v oblasti přechodu, projevující se podobným způsobem jako

Zenerův jev. Zenerův jev se uplatňuje v tenkých přechodech. Začíná působit při napětí asi 3 V při napětích vyšších, než asi 6 V postupně mizí a je plynule vystřídán lavinovým jevem. Oba jevy

se z hlediska stabilizace napětí projevují stejným způsobem. Při Zenerově jevu vyvolá zvýšení

77

teploty pokles průrazného napětí, při lavinovém jevu zvýšení průrazného napětí. V okolí

6 V se teplotní závislost obou jevů kompenzuje, dioda stabilizující napětí 6 V je téměř nezávislá na teplotě.

Kapacitní diody:

Schematická značka:

Kapacitní diody jsou součástky využívající závislosti na přiloženém napětí. Polarizují

se ve zpětném směru. Jsou to plošné diody vyráběné z Si nebo z GaAs. Je-li přechod strmý (slitinový), závisí kapacita diody na napětí přibližně podle vztahu

R

dU

kC , kde k je konstanta závislá na materiálu a provedení diody a UR je napětí mezi

anodou a katodou ve zpětném směru.

Pro přechod pozvolný, vzniklý difúzí nebo epitaxní technologií dostáváme 3

R

dU

kC .

Vhodným rozdělením příměsí v okolí přechodu lze získat též lineární závislost kapacity na přiloženém napětí. Kapacita Cd může být při UR = 0 kolem deseti pF až na několik stovek

pF. Základními parametry, které charakterizují kapacitní diodu, jsou kromě kapacity Cd a její závislosti na napětí také činitel jakosti Q a horní mezní frekvence fh.

Kapacitní diody určené k přelaďování rezonančních obvodů místo ladících kondenzátorů se nazývají varikapy. Kapacita se mění pomocným, tzv. ladicím stejnosměrným napětím. Amplituda VF signálu je oproti ladícímu napětí zanedbatelná, není nutné počítat se změnami

kapacity vlivem VF signálu. Diody určené pro obvody s velkou amplitudou signálu, kdy signál mění během své periody

značně kapacitu diody, se chovají jako nelineární reaktance. Pro ně se užívá název varaktory. Slouží např. ke směšování a násobení velmi vysokých napětí.

Diody pro velmi vysoké frekvence

Schottkyho dioda :

Schottkyho diody využívají ke své činnosti usměrňujícího kontaktu polovodič-kov.

Vyrábějí se např. napařením tenké vrstvy Au na povrch epitaxní vrstvy GaAs nebo Pt na povrch Si apod. V místě styku polovodiče a kovu dochází k velmi rychlému odsátí volných

nosičů náboje kovem. Proto je doba zotavení těchto diod neobyčejně krátká (jednotky pikosekund) a mezní frekvence je velmi vysoká (řádu desítek gigahertzů). Dovolené napětí ve zpětném směru je malé. Pro diodu GaAs-Au asi –3V , pro Si-Pt asi –5 V.

Schottkyho diody se užívají ve směšovačích a demodulátorech v pásmu centimetrových vln. Proti dříve používaným speciálním hrotovým diodám mají menší šum, větší účinnost

a větší odolnost proti elektrickému i mechanickému namáhání.

78

Dioda PIN :

Diody PIN se vyrábějí z křemíku.Vrstva s typem P, která tvoří anodu, je oddělena

od vrstvy typu N, tvořící katodu, tenkou vrstvou velmi čistého křemíku. Tato mezivrstva, tlustá několik mikrometrů není dotována žádnou příměsí, má pouze vlastní (intrizitní)

vodivost. Vrstva I se neuplatňuje při průchodu ss proudu nebo proudů tak nízkých frekvencí, že odpovídající doba periody 1/f je mnohokrát delší než doba potřebná k průchodu nosičů náboje přes vrstvu I. V těchto případech se dioda chová stejně jako obyčejná křemíková

dioda s malou plochou přechodu. Rovněž má stejnou voltampérovou charakteristiku. Při vysokých frekvencích, kdy doba potřebná k průchodu nosičů náboje přes vrstvu I je

srovnatelná s periodou procházejícího signálu, ztrácí dioda PIN svůj nelineární charakter a chová se jako lineární rezistor. Velikost jejího odporu pro vysoké frekvence Rvf je možně měnit velikost ss proudu IF, kterým diodu v přímém směru polarizujeme. VA charakteristika,

platná pro vysoké frekvence, ukazuje, že se zmenšuje odpor Rvf při zvětšování ss proudu IF. Tloušťkou vrstvy I je určena nejnižší frekvence, při které se dioda začne chovat jako řízený

rezistor. Diody PIN se používá při frekvencích stovek až tisíců MHz. Diodami PIN ve vhodném provedení je možné spínat VF výkony od 1 mW až do 100 kW. Přitom je výkon spotřebovaný

k ovládání diody řádu miliwattů.

Tunelová dioda :

Dioda se vyrábí z velmi dotovaného Ge nebo GaAs. Při

polarizaci ve zpětném směru se tunelová dioda chová jako lineární rezistor s malým odporem. V přímém směru její IA vzrůstá do bodu

P - dosahuje maxima Ip v bodě P při napětí Up asi 0,1 V. Při dalším růstu anodového napětí anodový proud klesá až do bodu V. Při napětí asi 0,3 až 0,4 V se voltampérová charakteristika

tunelové diody připojuje k charakteristice běžné germaniové diody nebo diody z GaAs. Je zřejmé, že pro pracovní doby ležící mezi body P a V vykazuje dioda záporný diferenciální

odpor. Této vlastnosti se dá využít k sestrojení oscilátorů nebo rychlých spínačů. Generované kmity mohou mít velmi vysokou frekvenci – až desítky GHz. Aplikace tunelových diod přináší řadu nevýhod, a proto se tyto diody v současné době

používají jen zřídka.

79

Svítivá dioda (LED)

Svítivá dioda neboli LED (z anglického light emitting diode) je polovodičová dioda,

která při průchodu proudu v propustném směru svítí.

Když diodou prochází proud, dochází na PN přechodu k rekombinaci elektronů a děr. Přitom se uvolňuje energie, která je přibližně rovna šířce zakázaného pásu. Tato energie

se může vyzářit ve formě fotonu nebo být absorbována v krystalové mříži, což se projeví zvýšenou teplotou polovodiče.

Pravděpodobnost zářivé rekombinace (s fotonem) roste se zvětšující se šířkou zakázaného pásu. U křemíku se šířkou zakázaného pásu 1.1 eV je uvolňovaná energie převážně absorbována v krystalu, ze kterého je tepelnou výměnou odváděna do okolí. U diody

z galium-arsenidu (GaAs) se šířkou zakázaného pásu 1.34 eV bude již nezanedbatelná část energie uvolněné při rekombinaci vyzařována ve formě fotonů o příslušné vlnové délce, která

však ještě spadá do oblasti neviditelného infračerveného záření. Kombinace tohoto materiálu s fosforem, tzv. galium arsenid fosfid (GaAsP), již při rekombinaci vyzařuje červené viditelné záření.

Použijeme-li materiál o vhodné šířce zakázaného pásu, můžeme vytvořit diody svítící světlem zeleným, žlutým nebo oranžovým.

Existuje mnoho dalších specializovaných druhů diod jako je například laserová dioda

(mechaniky CD), infradioda (dálkové ovladače) a další.

3.9.4 Tranzistory

Jsou to nelineární polovodičové součástky, patří mezi nejdůležitější polovodičové

součástky. Jsou tvořeny krystalem se dvěma přechody PN. Střední část krystalu je báze B a přechody PN ji oddělují od oblasti s opačným typem vodivosti, které označujeme jako kolektor C a emitor E. Oblast kolektoru je zpravidla větší než oblast emitoru a přechody jsou

v malé vzájemné vzdálenosti, takže objem báze mezi oběma přechody je velmi malý. Tranzistor má dva obvody - vstupní a výstupní. Proto by měl mít čtyři vývody.

Tranzistor má však ve skutečnosti pouze tři vývody (elektrody); jedna elektroda je společná oběma obvodům. Proto se rozlišují zapojení se společnou bází, zapojení se společným kolektorem nebo zapojení se společným emitorem. Tranzistor má dva přechody PN -

emitorový (přechod E - B) a kolektorový (přechod B - C).

80

Schématické značky tranzistorů

Bipolární tranzistory

Bipolární tranzistory jsou aktivní elektronické součástky se třemi elektrodami: emitor E, báze B a kolektor C. Bipolární tranzistory si lze představit jako dvě diody zapojené proti

sobě. Bipolární tranzistory jsou typu NPN nebo PNP. Podle toho, která z elektrod bude použita společně pro vstup a výstup se jedná o zapojení se společným emitorem, kolektorem

či bází. Základní zapojení bipolárních tranzistorů včetně vlastností :

se společným emitorem - SE se společným kolektorem - SC

se společnou bází – SB

Používaná zapojení bipolárních tranzistorů

Princip činnosti bipolárního tranzistoru

Tranzistor má tři vrstvy se třemi vývody. Vnější jsou emitor E a kolektor C. Emitor je bohatěji dotován příměsemi a má tedy větší vodivost. Mezi nimi je tenká vrstva báze B.

Přechod báze – kolektor je polarizován ve zpětném směru. Přes tento přechod může procházet pouze velmi malý proud minoritních nosičů náboje, kterými jsou elektrony. Tento proud se označuje ICB0 a u tranzistorů vyrobených z křemíku dosahuje hodnoty pouze jednotky µA.

Mezi bázi a emitor zapojíme zdroj napětí v přímém směru (s naznačenou polaritou) s napětím mezi 0,6 ÷ 0,9V. Tím se přechod mezi emitorem a bází plně otevře a z emitoru do báze začne procházet proud IE většinových nosičů náboje, kterými jsou elektrony. Pouze malá část jich

rekombinuje v bázi a tvoří proud báze IB. Zbytek elektronů prochází přes bázi do kolektoru

81

a tvoří proud kolektoru IC (v bázi jsou vůči kolektoru menšinovými nosiči). Vždy musí platit

vztah:

IE = IB + IC

. Struktura tranzistoru PNP a NPN

Bipolární tranzistor představuje nelineární dvoubran a jako takový je popsán soustavou charakteristik. V katalozích výrobců se nejvíce udávají charakteristiky pro nejpoužívanější zapojení, kterým je zapojení se společným emitorem - SE.

Vstupní charakteristiky tranzistoru: o na vstupu se tranzistor chová jako dioda o ze sklonu vstupní charakteristiky lze zjistit vnitřní odpor tranzistoru

o vstupní charakteristiky jsou málo závislé na změnách ve výstupním obvodu Výstupní charakteristiky tranzistoru:

o proud procházející tranzistorem je funkcí vstupního proudu (napětí) a výstupního napětí

o jednu proměnnou volíme konstantní a to vstupní veličinu

o jednotlivé výstupní charakteristiky jsou téměř rovnoběžné s osou výstupního napětí

o z toho plyne, že pro velikost výstupního proudu IC je rozhodující vstupní veličina, u zapojení SE je to proud IB nebo napětí UBE a výstupní proud na změně výstupního napětí téměř nezávisí

o tranzistor se chová na výstupu jako zdroj konstantního proudu s velmi velkým vnitřním odporem

o velikost dynamické vnitřní vodivosti určuje sklon charakteristiky

Převodní charakteristiky tranzistoru: o Proudová převodní charakteristika tranzistoru - vyjadřuje závislost výstupního

proudu na vstupním, při konstantním napětí UCE. o Napěťová převodní charakteristika tranzistoru je sestrojena ze vstupní

a převodní proudové chrakteristiky tranzistoru.

82

Soustava charakteristik bipolárního tranzistoru

Unipolární tranzistory

Unipolární tranzistor je polovodičová součástka řízená elektrickým polem, která

využívá vlivu elektrického pole na průchod proudu polovodičem. Vedení proudu je uskutečněno v polovodiči s jedním druhem nevlastní vodivosti – P nebo N.

Elektrické pole, které vzniká připojením řídícího napětí na řídící elektrodu zvanou hradlo

G (gate-brána), rozšiřuje nebo zužuje vodivou dráhu v polovodiči, tzv. kanál mezi hlavními elektrodami, tj. emitorem E a kolektorem C .Podle způsobu připojení hradla k polovodiči

dělíme tranzistory FE do dvou skupin: s přechodovým hradlem - JFET s izolovaným hradlem a vodivým kanálem MOSFET

s izolovaným hradlem a indukovaným kanálem MOSFET Tranzistor řízený elektrickým polem s přechodovým hradlem - JFET

Základ tvoří polovodičová destička typu P nebo N. Na obou koncích je opatřena neusměrňujícími kontakty, které slouží k přivádění proudu a mají význam emitoru E a kolektoru C.

Na horní i spodní straně je vytvořena difuzí silně dotovaná vrstva obráceného typu vodivosti P+ ( N- ) nazvaná hradlo G. Obě části hradla jsou spojeny a tvoří řídící

elektrodu. Prostor mezi částmi hradla se nazývá kanál. V okolí hradla se vytvoří vyprázdněná oblast.

Hradlo se spojuje vždy s editorem. Po připojení napětí UCE mezi E a C kladnou svorkou na C prochází kanálem proud IC. Proud IC prudce roste, po dosažení určité hodnoty se zvyšuje jen velmi pozvolna

Mezi hradlo G a emitor E připojíme zdroj předpětí UGE , přechod PN musí být vždy polarizován ve zpětném směru – v opačném případě je tranzistor zničen!

Přivedením předpětí dojde k zúžení vodivého kanálu a tím k poklesu proudu IC. Pro jednotlivá předpětí se růst proudu ukončí při menších hodnotách.

83

Zúžení kanálu není po celé jeho délce kolem hradla stejné, protože ze strany kolektoru

C, který je připojen na kladnou svorku zdroje UCE, je závěrné napětí na přechodech větší než ze strany emitoru E.

Vodivý kanál se úplně nikdy neuzavře. Hradlem G prochází proud IG ~ 0A (jde o hodnoty řádově v pA).

Tranzistor MOS FET s izolovaným hradlem a vodivým kanálem

V polovodičové destičce s vodivostí typu P jsou vytvořeny dvě oblasti s vyšší koncentrací příměsí N+, nazývají se emitor E (S) a kolektor C (D). Řídicí elektroda (G) je od substrátu oddělena tenkou vrstvou oxidu křemičitého SiO2. V prostoru mezi nimi je

vytvořen vodivý kanál se stejným typem vodivosti - N. Při záporném předpětí na řídicí elektrodě dochází k vytvoření záporně vázaného

povrchového náboje na rozhraní SiO2-N-kanál, který odpuzuje elektrony z kanálu, jeho vodivost klesá a snižuje se i proud IC. Popsaný typ tranzistoru MOSFET se nazývá tranzistor (MOS FET) s izolovaným hradlem a vodivým kanálem pracujícím v režimu ochuzení.

Při kladném předpětí na řídicí elektrodě G vůči emitoru E, dochází k dalšímu přitahování minoritních nosičů ze základní destičky s vodivostí P (elektronů) k řídicí

elektrodě, čímž se zvyšuje vodivost kanálu. Při zvyšování napětí mezi emitorem a kolektorem UCE se rovněž zvětšuje proud IC. Při určité hodnotě UCE = UCESAT dochází k zaškrcení kanálu u kolektoru, kolektorový proud se mění málo, i při zvyšování napětí.

Tranzistor MOS FET s izolovaným hradlem a vodivým kanálem

Tranzistor MOS s indukovaným kanálem

Je tvořen základní polovodičovou destičkou slabě dotovanou příměsí, tj. o velkém odporu.

Na destičce např. typu N jsou zhotoveny dvě oblasti s opačným druhem vodivosti P, ze kterých jsou vyvedeny C a E.

Hradlo G je od základní destičky odděleno vrstvou SiO2, která představuje izolant

Izolační vrstvička tvoří dielektrikum kondenzátoru, jehož elektrodami jsou hradlo a polovodičová destička, která je obvykle svorkou S připojena na E

Po připojení zdroje UCE mezi emitorem E a kolektorem proud nemůže procházet, není vytvořen vodivý kanál

Po připojení předpětí UGE zápornou svorkou na hradlo G a kladnou na emitor E,

indukuje se pod vrstvou oxidu na základní destičce kladný náboj, který mění její vodivost z typu N na P. Od tzv. prahového napětí UGE = UT vzniká mezi C a E

indukovaný kanál, který vodivě spojuje obě elektrody. Po připojení napětí UCE mezi C a E uzavírá se kanálem proud IC, jehož velikost závisí na napětí UCE i UGE.

84

3.9.5 Tyristor

Tyristor je polovodičová součástka sloužící ke spínání elektrického proudu (nejčastěji

výkonových obvodů), fungující jako řízený elektronický ventil.

Schématické znázornění a značka tyristoru

Tyristor je čtyřvrstvá spínací součástka (obvykle PNPN), která nevykazuje

usměrňující účinky jako dioda, avšak je možné ji ovládat (spínat) pomocí impulsu do řídicí elektrody G (gate). Anoda (A) a katoda (K) se v obvodu nesmí zaměnit, zátěž je vždy

připojena k anodě. Jedná se o velice účinný nástroj pro řízení velmi výkonných elektrických strojů.

V moderních elektrických lokomotivách se používá nejčastěji pro pulzní regulaci výkonu

trakčních motorů pro stejnosměrný proud. K regulaci výkonu asynchronních motorů se používají vyspělejší zařízení IGBT.

Způsoby zapnutí a vypnutí tyristoru

Zapnutí

Krátkodobým proudovým pulsem do řídicí elektrody G (gate).

Překročením kritické hodnoty anodového napětí dojde k průrazu druhého PN

přechodu. (Tento způsob je obvykle nežádoucí.)

Rychlým nárůstem anodového napětí, tj. nadkritickou strmostí UAK (S = ΔU/Δt =

i/C). Při velké strmosti se vyvolá velký proud I přes přechod, který dále vyvolá lavinovou ionizaci krystalové mřížky a tím uvede tyristor do sepnutého stavu.

Tento způsob sepnutí bývá většinou nežádoucí a je nutno mu předejít například tlumivkou nebo jiným zpomalovacím členem.

Teplotou při určitém napětí UAK. (Také většinou nežádoucí.)

Osvětlením druhého (PN) přechodu, takto pracuje fototyristor.

(Radioaktivním zářením, při kterém sepne každý polovodič.) Vypnutí

Přerušením anodového proudu.

Komutací anodového napětí (přepólování). U střídavých proudů se tak děje automaticky v každé záporné půlvlně, ve stejnosměrných obvodech je nutno použít

komutační zařízení.

Zkratem mezi anodou (A) a katodou (K).

85

Obecná VA charakteristika tyristoru

3.9.6 Triak

Triak (z anglického TRIode Alternating Current switch = triodový spínač střídavého

proudu) je polovodičový spínací prvek schopný vést elektrický proud oběma směry.

Schématické znázornění a značka triaku

Vlastnosti triaku přibližně odpovídají vlastnostem dvou antiparalelně zapojených

tyristorů (obr. 27), u kterých jsou řídicí elektrody propojeny v jednu. Triaky jsou

konstruovány pro běžná napětí v rozvodných sítích a pro proudy do několika ampérů. Typické použití je v regulaci domácího osvětlení, otáček praček, vrtaček a podobných

nízkovýkonových elektrických spotřebičů. Hlavní výhodou je jednoduché zapojení do elektrických obvodů.

Antiparalelní zapojení tyristorů

3.10 Popis funkce

Pro sepnutí triaku musí být na hlavních elektrodách dostatečně velké napětí a do řídicí elektrody musí být přiveden proudový impuls o hodnotě vyšší, než je proud spínací.

Triak je sepnutý a vede tak dlouho, dokud se velikost protékajícího proudu nesníží pod hodnotu vratného proudu (tj. do okolí nuly).

86

Uzavírání triaku nastane při poklesu proudu pod hodnotu vratného proudu,

a to při jakémkoliv proudu řídicí elektrody. Pokud triakem neprotéká žádný proud a hodnota proudu na řídicí elektrodě je nižší než

hodnota spínacího proudu, triak se ihned uzavře (rozepne).

Obecná VA charakteristika triaku

3.10.1 Diak

Diak (z anglického diode for alternating current (DIAC) = dioda pro střídavý proud) je polovodičový spínací prvek schopný vést elektrický proud oběma směry, ale jen pro určitou hodnotu. Diak se od triaku liší tím, že nemá řídící elektrodu a je tedy ovládán jen vstupním

napětím. Dá se používat v propustném i závěrném směru, ale na rozdíl od triaku se nedá řídit.

Schématické znázornění a značka diaku

Vlastnosti

Diak má stejně jako tranzistor 3 polovodičové vrstvy uspořádané do dvou PN přechodů. Má však jen dva vývody, vyvedené ze stejného typu polovodiče. Může být typu NPN i PNP. Protože nezáleží na polaritě napětí, není potřebné označovat vývody.

Funkce

Nejdůležitějším parametrem je tedy spínací napětí (značené většinou UB0), které se často

pohybuje v řádech desítek voltů. Po překročení tohoto napětí dojde k tranzistorovému jevu a diak začne vést proud.

Použití

Nejčastěji se používá jako přepěťová ochrana. Využití může nalézt také jako pomocná součástka při spínání triaku.

87

Obecná VA charakteristika diaku

3.10.2 Integrovaný obvod

Integrovaný obvod (zkratka IO) je moderní elektronická součástka. Jedná se o spojení (integraci) mnoha jednoduchých elektrických součástek, které společně tvoří

elektrický obvod vykonávající nějakou složitější funkci. Integrované obvody dělíme na monolitické a hybridní. V Československu se mezi profesionály i amatéry vžil zajímavý

termín pro integrovaný obvod a to slovo je „šváb“.

Monolitické IO dnes jasně převažují. Jejich jednotlivé součástky jsou vytvořeny a vzájemně spojeny na jediné polovodičové, nejčastěji křemíkové, destičce.

Na obrázku je křemíková destička paměti EPROM o kapacitě 256 x 8 bitů ze 70. let, kterou bylo možno mazat

ultrafialovým zářením (proto měla paměť průhledné okénko). Matice paměťových buněk jsou dvě obdélníkové

pravidelně mřížované části v horní polovině destičky. Celkově byl tento obvod složen z necelých 5000 součástek (tranzistorů).

Paměť eprom Detail čipu

Pro srovnání procesor Intel Pentium 4 se skládá z cca 42 milionů tranzistorů a nejtenčí spoje na destičce jsou široké 0,18 μm (lidský vlas má průměr cca 100 μm).

Hybridní IO se skládají z několika součástek (zpravidla některé z nich bývají monolitické IO), které jsou přilepeny a pospojovány na malé destičce (zpravidla keramické).

88

Výroba

Monolitické obvody

Vyleptaný křemíkový wafer

Základem pro výrobu moderních monolitických IO je monokrystal z velmi čistého polovodiče. Monokrystal musí být velmi dokonalý, pokud možno prostý, bez jakýchkoliv poruch v krystalové mřížce. Materiál pro jeho výrobu musí být předem velmi dokonale

vyčištěn. Čištění materiálu a tažení takového monokrystalu se provádí za vysokých teplot v ochranné atmosféře, a je proto energeticky, ale i časově velmi náročné. Náročnost procesu je tím větší, čím větší průměr má výsledný monokrystal mít.

Hotový monokrystal, který má válcový či doutníkovitý tvar, se nařeže na velmi tenké

plátky (anglicky chips, z toho české čipy) jménem wafer. Jejich tloušťka je v řádu desetin milimetru. Plátky se dále dokonale vyleští.

Na připravených plátcích se pak vytvářejí důmyslnými postupy miniaturní masky

a na nezamaskovaná místa se difuzí přidávají různé příměsi, které v daných místech přetvářejí základní polovodičový materiál na materiál typu P nebo N, takže vznikají tzv. PN přechody. Další často používanou metodou je iontová epitaxe, která spočívá v přímém „nastřelování“

iontů patřičných příměsí do určených míst polovodiče. Po vytvoření struktury obvodu se na povrch vakuově napaří tenká vrstvička kovu (nejčastěji hliníku). Ta se poté opět

za pomoci masky odleptá, takže na určených místech destičky vzniknou hliníkové kontakty.

Na jednom plátku je takto vytvořeno zpravidla několik řad a sloupců stejných obvodů. Ty se nejprve elektricky otestují pomocí jemných hrotů dotýkajících se vytvořených hliníkových

89

kontaktů. Vadné součástky jsou označeny a celá destička je pak rozřezána na jednotlivé

integrované obvody. U těch, které v předchozím kroku prošly testem, jsou ke kontaktům přivařeny miniaturní zlaté nebo měděné drátky, které jsou vyvedeny na vývody (nožičky) IO.

Na výstřižek z plechu je přilepena křemíková destička s obvodem, je provedeno nakontaktování a celý obvod je poté zalit do plastového pouzdra.

Integrovaný obvod pouze zakápnutý pryskyřicí v digitálních hodinkách

V některých masově vyráběných produktech spotřební elektroniky se z důvodů snížení ceny a miniaturizace lepí křemíkové destičky obvodů bez pouzdra přímo na desku s plošnými

spoji. Po připojení kontaktů jsou pouze zakápnuty vytvrditelnou pryskyřicí.

Hybridní integrované obvody

Hybridní integrované obvody se zpravidla skládají z tenké keramické destičky, na kterou jsou metodou sítotisku naneseny vodivé spoje, rezistory a přilepeny křemíkové destičky s diskrétními polovodičovými součástkami nebo jednoduššími monolitickými integrovanými obvody. Případně mohou být na tutéž destičku přilepeny i další součástky jako

například kondenzátory nebo cívky. Hodnoty odporu rezistorů lze na destičkách hybridních obvodů případně pomocí laseru velmi přesně doladit. Poté se provede kontaktování

polovodičových součástek běžným způsobem a obvod je uzavřen do kovového nebo plastového pouzdra.

Další dělení IO dle různých kritérií:

analogové nebo číslicové obvody

stupeň integrace o SSI – malá integrace (Small Scale Integration) o MSI – střední integrace (Middle Scale Integration)

o LSI – vysoká integrace (Large Scale Integration) o VLSI – velmi vysoká integrace (Very Large Scale Integration), někdy také

XLSI (eXtra Large Scale Integration) unipolární a bipolární obvody programovatelné a neprogramovatelné obvody

sériově a zakázkově vyráběné obvody

90

4 Elektrochemie

4.1 Iontová vodivost, elektrolyt

Pokud do čisté kádinky nalijeme destilovanou vodu a do ní ponoříme odizolovaný konec vodiče, který je dále připojen přes zdroj na žárovku a druhý konec vodiče od žárovky

vložíme zpět do kádinky, pozorujeme, že žárovka nebude svítit. Jakmile však do vody přidáme kuchyňskou sůl (NaCl), žárovka se rozsvítí. Z našeho pozorování plyne, že destilovaná voda je izolant, kdežto roztok kuchyňské soli je vodič.

Ve vodě dochází k tzv. disociaci (rozštěpení) NaCl na ionty chlóru (Cl) a sodíku (Na). Tím vznikne kapalný elektrolyt.

Ionty mají elektrický náboj. Kationům chybí v elektronovém obalu jeden či více elektronů, takže jejich výsledný náboj je kladný. Anion má naopak více elektronů, proto je záporný.

Jakmile v elektrolytu vznikne elektrické pole, podléhají jednotlivé ionty jeho silovým účinkům. Kladně nabité kationy sodíku se dají do usměrněného pohybu k záporně nabité

elektrodě, tedy ke katodě. Záporně nabité aniony chlóru se začnou přesouvat k anodě. Při dotyku kationů sodíku a katody se z katody doplní sodíku chybějící elektrony. Tím vzniknou neutrální atomy sodíku. Při neutralizaci se však odčerpaly elektrony, které se vodičem musí

doplnit ze zdroje napětí.

Disociace NaCl

Co znamená již dříve použitý pojem elektrolyt? Je to roztok nebo tavenina, která

vede elektrický proud. V elektrolytech nepřenášejí proud elektrony jako u kovů (vodičů I. řádu), ale ionty. Ionty jsou proti elektronům větší, jejich pohyblivost je však menší, takže

vodivost je u elektrolytů nižší než u kovů. Proto jsou elektrolyty označovány jako vodiče II. řádu.

Mezi kapalné elektrolyty patří vodné roztoky solí, kyselin i zásad. Pramenitá dešťová

voda jsou poměrně dobrými vodiči, protože obsahují rozpuštěné minerální látky nebo látky z ovzduší.

Kovy a vodík vytvářejí kationy, proto se při průchodu proudu vylučují na katodě. Plyny s výjimkou vodíku se vylučují na anodě.

91

4.2 Elektrolýza

Elektrolýza je rozklad chemických látek elektrickým proudem. Elektrolyticky se z vody

získává kyslík a vodík, elektrolýzou se vyrábějí nebo čistí (rafinují) některé kovy např. chemicky čistá měď, velmi čisté železo nebo hliník.

Elektrolytické pokovování neboli galvanostegie se používá k ochraně některých kovů před oxidací a ke zlepšení vzhledu výrobků nebo k vytvoření vodivých vrstev na nevodivých površích. Do vhodného elektrolytu se ponoří předmět, který má být pokoven a spojí

se se záporným pólem zdroje stejnosměrného napětí. Anoda z vhodného kovu se spojí s kladným pólem zdroje. Kationy z roztoku přecházejí z roztoku na předmět a ulpívají na něm

tak, že je nelze setřít (např. elektrolytické pochromování). Nevodivé předměty se musí před pokovováním pokrýt vodivým práškem.

Galvanoplastika je výroba velmi přesných otisků. Voskový otisk se nejprve potáhne

tenkou vrstvou vodivého grafitu a poté se elektrolyticky pokoví. Vrstva kovu, která se usadí na voskovém otisku, vytvoří postupně formu.

ELOX je zkratka pro elektrolytické oxidování hliníku. Hliníkový předmět se při eloxování upevní k anodě a oxidace probíhá tím, že se na něm vytvoří vrstva Al2O3. Eloxované povrchy jsou tvrdé, lze je barvit a vytvářejí izolační vrstvu.

Elektrolytická koroze vzniká nečistotám a cizím prvkům, které ulpívají na kovu nebo jsou v něm přímo obsaženy a při zvýšené lehkosti vytvářejí velký počet nepatrných

galvanických článků. Elektrolýzou se pak kov mění na látky s mnohem menší soudržností. Příkladem je koroze oceli (rezavění).

Stejně tak nežádoucí vliv má elektrolýza při spojení dvou vodičů různých materiálů

(hliník a měď). Ve vlhku se z nich vytvoří galvanický článek, který časem zvětšuje přechodový odpor a poté se vlivem procházejícího proudu místo spoje nepřiměřeně zahřívá a může dojít k požáru části instalace. Proto se takové spoje musí upravit svařováním, pájením

nebo cupalovými svorkami! Další místo, kde působí elektrolýza značné škody, jsou kovová potrubí uložená v zemi

nejčastěji v blízkosti dráhy kolejových vozidel, kde je kolejnice využívána jako vodič. Vlhká zemina působící jako elektrolyt a bludné proudy způsobují naleptávání potrubí. (Například proud 1A působící na potrubí jeden rok zničí asi 10 kg oceli, 11 kg mědi a 37 kg olova.)

4.3 Chemické články

Mezi chemické zdroje napětí patří galvanické články, palivové články a akumulátory. Jednoduchý chemický článek si můžeme sami vyrobit. Potřebujeme plíšky různých kovů

např. měď a zinek, které jako elektrody zabodneme do jablka nebo jiného ovoce. K těmto elektrodám připojíme citlivý voltmetr a pozorujeme naměřenou hodnotu mezi jedním až jedním a půl voltem. Vytvořili jsme galvanický článek.

Funkce galvanického článku spočívá v přeměně chemické energie na elektrickou

energii. Galvanické články se dělí na primární a sekundární (akumulátory). Primární články fungují ihned po sestavení, ale jsou pouze na jedno použití - nelze je dobíjet.

Výhodnější jsou proto sekundární články - akumulátory, které se mohou mnohokrát opakovaně vybíjet a nabíjet.

Olověné akumulátory - jejich elektrody jsou ze slitiny antimonu a olova a mají tvar

mříží. Do mříže kladné elektrody se natlačí minium (Pb3O4) a do záporné oxid olovnatý

(PbO). Mezi elektrodami je děrovaná izolační vložka, která brání dotyku elektrod při otřesech.

92

Elektrody jsou ponořeny do vodného roztoku kyseliny sírové (H2SO4). Při nabíjení se zvětšuje

hustota roztoku, protože přibývá kyselina sírová. Při vybíjení se uvolňuje voda, proto se hustota elektrolytu snižuje.

Úplným vybitím se akumulátor poškodí, protože proběhne sulfitace desek, tj. desky akumulátoru se pokryjí nerozpustným povlakem, který znemožní vybití akumulátoru. Vybitý akumulátor může zamrznout již při teplotě -10°C, kdežto nabitý až kolem -70°C.

Při nabíjení by nabíjecí proud neměl překročit jednu desetinu kapacity akumulátoru a postupně se proud snižuje. Při vybíjení by odebíraný proud také neměl překročit jednu

desetinu kapacity. Při kapacitě 60 Ah můžeme odebírat proud 2A po dobu třiceti hodin nebo 6A po dobu deseti hodin, což vyplývá ze vztahu pro náboj

Q = It (C = It)

Další druhy akumulátorů

zkratka celý název U max U min Charakteristika

Ni-Cd Nikl-

kadmium

1,2–

1,8V 0,9–0,7V

Běžné, mechanicky i elektricky odolné

články.

Ni-MH Nikl-metalhydrid

1,2–1,8V

0,9–0,7V Větší kapacita, neobsahuje těžké kovy. Netrpí „paměťovým“ efektem.

Li-Ion Lithium-iontové

4,1V 3,0V Citlivé na řízení nabíjecího proudu, životnost 500–2000 nabíjecích cyklů.

Li-pol Lithium-

polymerové 4,2V 3,0V

Nejvyšší hustota uchovávané energie,

průměrná životnost 1000 nabíjecích cyklů,

Li-Fe Lithium-

železité 3,6V 2,5 (2,0)

Vysoká hustota uchovávané energie, možnost

odebírat až třicetinásobný proud kapacity.

Kapacita článku - součin vybíjecího proudu a celkové doby vybíjení, udává se v ampérhodinách (Ah).

Elektromotorické napětí - napětí nezatíženého článku, tj. článku, ke kterému není

připojený žádný spotřebič Vnitřní odpor - odpor vnitřních vodivých částí galvanického článku (elektrody,

elektrolyt), vnitřní odpor článku se při odběru proudu postupně zvětšuje, článek

se vybíjí Svorkové napětí - napětí zatíženého článku, je vždy menší než elektromotorické

napětí. Rozdíl mezi svorkovým a elektromotorickým napětím je tím větší, čím větší je odebíraný proud a čím větší je vnitřní odpor (tj. čím vyčerpanější je článek)

Zapojení článků - při sériovém zapojení je celkové napětí součtem napětí jednotlivých

článků, ale vnitřní odpor baterie je větší. Paralelní zapojení se používá v případě, že je třeba větší odběr proudu ze zdroje - při paralelním zapojení je menší vnitřní odpor

zdroje. (viz. kapitola 2.12 řazení zdrojů)

93

Sériové řazení článků Paralelní řazení

Palivový článek je elektrochemické zařízení přeměňující přímo chemickou energii paliva a okysličovadla na energii elektrickou. Skládá se ze dvou elektrod, které jsou odděleny membránou nebo elektrolytem. K elektrodám je přiváděno palivo (k anodě) a okysličovadlo

(ke katodě). Na katodě se oxidační činidlo (většinou kyslík) redukuje na anionty (O2-), a ty pak reagují s H+ ionty na vodu. Elektrody palivového článku jsou katalyticky i reaktivně

stabilní. Palivové články mohou pracovat nepřetržitě, dokud není přerušen přívod paliva nebo okysličovadla k elektrodám.

Schéma palivového článku

Existuje mnoho kombinací paliva a okysličovadla. Např. kyslíko-vodíkový článek používá vodík jako palivo a kyslík jako okysličovadlo. Jiné články užívají jako paliva uhlovodíky a alkoholy. Místo čistého kyslíku se jako okysličovadla může použít

například vzduch, chlór a oxid chloričitý.

4.3.1 Chemické články a životní prostředí

Všechny chemické články, jak již název napovídá, jsou tvořeny různými chemickými

látkami. Mnohé z nich jsou jedy nebo těžké kovy, které se nesmí dostat do styku s půdou či vodou. Z toho důvodu jsou všichni prodejci povinni zpětně vybírat vybité a použité články.

Nikdy je nevyhazujeme do komunálního odpadu. Mimo zpětného odběru u prodejců existuje mnoho specializovaných firem, které

se zabývají ekologickou likviadací či recyklací.

Pozor na automobilové olověné akumulátory, které jako elektrolyt obsahují roztok kyseliny sírové. Tyto skladujeme ve svislé poloze, aby elektrolyt nevytekl, a nikdy roztok

kyseliny nevyléváme.

94

5 Elektrostatické pole

5.1 Elektrický náboj

Elektricky nabité částice a tělesa jsou nositeli elektrického náboje, který označujeme písmenem Q. Jednotkou elektrického náboje je jeden Coulomb (čte se kulón nebo kulomb)

a má značku C. Nejmenší částice, tj. proton a elektron mají nejmenší možný, tzv. elementární náboj o velikosti asi 1,6.10-9 C. Elementární náboj nelze od částic, které jej nesou oddělit. Elementární náboj se nedá vytvořit ani zničit. Celkový náboj elektricky nabitého tělesa

je určen počtem elektronů, které v atomech tělesa chybí nebo nadbývají proti neutrálnímu (normálnímu) stavu, může tedy nabývat pouze celistvých násobků hodnoty elementárního

náboje. Elektrický náboj lze z jednoho tělesa na jiné přenášet. Elektricky nabité částice (tělesa) působí na sebe elektrickými silami, mnohonásobně

většími než jsou síly gravitační. Silového působení nabitých těles na sebe se využívá i při

měření velikosti náboje přístroji, nazývanými elektrometry.

Zákon zachování elektrického náboje: Elektrický náboj se nedá vytvořit ani zničit.

5.2 Elektrické pole a síla

Elektricky nabitá tělesa na sebe vzájemně působí silami, tedy přitahují se nebo

se odpuzují. Toto silové působení probíhá v elektrickém poli. Předmětem našeho zájmu bude elektrostatické pole, tedy pole, které se nepohybuje.

Elektrické pole je kolem každého elektricky nabitého tělesa, to i ve vakuu.

Je neviditelné a nedovedeme je žádným smyslem přímo pozorovat.

Znázornění el. pole a) mezi souhlasnými náboji; b) mezi opačně nabitými náboji

Průběh elektrických polí se znázorňuje siločárami. Siločáry vystupují kolmo z těles, nikde se neprotínají. Dohodou se stanovilo, že siločáry vycházejí z kladně nabitého tělesa a končí na záporně nabitém tělese. Z osamoceného kladně nabitého tělesa jdou siločáry

do nekonečna, na osamoceně záporně nabité těleso přicházejí z nekonečna.

V místě, kde se projevují větší silové účinky elektrického pole na nabité těleso, jsou

siločáry blíže u sebe. Mezi dvěma deskami spojenými s opačnými póly zdroje vysokého napětí se vytvářejí rovnoběžné siločáry. O takovém poli říkáme, že je homogenní, tj. stejnorodé. Kolem osamocené nabité koule vzniká radiální pole.

95

Homogenní elektrické pole; Radiální elektrické pole

5.3 Intenzita elektrického pole

Elektrické pole je formou hmoty stejně jako gravitační pole, na rozdíl od něj lze elektrické pole odstínit. V jednom místě mže současně působit několik elektrických polí

Při měření elektrického pole používáme veličinu nazvanou intenzita elektrického

pole. Tam kde jsou siločáry blíže u sebe, je intenzita elektrického pole větší. Znamená to,

že v takovém místě budou také větší silové účinky na náboj. Intenzitu homogenního pole tedy vyjadřujeme podílem síly a náboje.

E = F / Q0

kde E je intenzita elektrického pole,

F síla, která působí v určitém místě pole na tzv. bodový náboj Q0.

Můžeme tedy říci, že intenzita elektrického pole je měřítkem síly působící na náboj

v elektrickém poli.

Elektrická síla působící mezi dvěma bodovými náboji je určena Coulombovým zákonem, její velikost závisí na velikosti nábojů, vzdálenosti těles a prostředí mezi nimi.

5.4 Tělesa v elektrickém poli

Dvě zelektrovaná tělesa se mohou vzájemně přitahovat (mají-li nesouhlasný el. náboj) nebo odpuzovat (mají-li souhlasný el. náboj). K zelektrované tyči se ale přitahují také tělesa,

která zelektrovaná nejsou. Vodiče = látky, které mají takovou strukturu, že obsahují volně pohyblivé částice s elektrickým nábojem

Izolanty (nevodiče) = látky, které neobsahují volně pohyblivé částice s elektrickým nábojem

96

5.4.1 Vodič v elektrickém poli (elektrostatická indukce)

Po přiblížení kladně nabité tyče jsou volně pohyblivé elektrony v plechovce

přitahovány elektrickým polem tyče. Přesunou se tedy k jednomu konci plechovky. Na tomto konci je pak přebytek záporných částic, na druhém konci je přebytek kladných částic.

Záporný konec plechovky se přitahuje ke kladně nabité tyči.

Působení přitažlivé síly

Pokud ke stejné plechovce přiblížíme záporně nabitou tyč, budou naopak elektrony

odpuzovány.

Působení odpudivé síly

Tento jev se nazývá elektrostatická indukce. Díky tomuto jevu se přitahují vodivá (kovová) tělesa, která nemají el. náboj k nabitým tělesům.

5.4.2 Izolant (dielektrikum) v elektrickém poli

Izolant neobsahuje žádné volné částice s el. nábojem, elektrické pole tyče způsobí jen

vzájemné posunutí elektronů a protonů uvnitř atomů nebo molekul . Uvnitř tělesa z izolantu jsou náboje částic vzájemně vyrovnané, pouze na protilehlých koncích povrchu tělesa nejsou

náboje vyrovnány. Na straně přivrácené ke kladné tyči je záporný náboj, na opačném konci je náboj kladný. Na koncích tělesa z izolantu v elektrickém poli se tedy objeví nesouhlasné náboje - póly (atom má dva póly, říkáme mu dipól). Tento jev se nazývá polarizace izolantu.

Díky tomuto jevu se přitahují nevodivá tělesa, která nemají el. náboj k nabitým tělesům.

Polarizace izolantu

97

5.4.3 Odstínění elektrostatického pole

Pokud do prostoru s elektrostatickým polem vložíme vodivý materiál, dojde zde k tzv.

influenci. Influence je přesun elektrických nábojů elektrickým polem ve vodiči na jeho povrch. Tím pádem vzniká uvnitř vodiče prostor bez pole.

Influence v kovech je využíváno k odstínění prostoru od vlivu elektrického pole. Může být použito měděného plechu, mříže nebo pletiva.

Odstínění elektrostatického pole

Prostor odstíněný ze všech stran od vlivu elektrických polí se nazývá Faradayva klec.

Stínění je většinou uzemněné.

5.5 Coulombův zákon

Coulombův zákon vyjadřuje vztah mezi elektrickým nábojem a elektrickou silou:

Velikost elektrické síly, kterou na sebe působí dvě tělesa s elektrickým nábojem, je přímo

úměrná velikosti nábojů Q1, Q2 a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti r.

Konstanta k v Coulombově zákonu vyjadřuje vliv prostředí, ve kterém na sebe působí bodové náboje. Tuto konstantu lze vyjádřit vztahem

kde π je Ludolfovo číslo,

98

ε je tzv. permitivita prostředí.

Jednotkou permitivity je farad na metr (F/m).

5.6 Elektrická pevnost dielektrika

Míra polarizace dielektrika je závislá na velikosti intenzity elektrického pole, do kterého

je dielektrikum vloženo. Při překročení určité velikosti intenzity vnějšího elektrostatického pole budou elektrostatické síly působící na nabité částice atomu větší než síly, které udržují atomy dielektrika pohromadě. Dielektrikum se tak vnějším polem (tj. přiloženým napětím)

poruší a dojde a nastane tzv. průraz dielektrika. Dielektrikum se stane vodivým a začíná jím procházet proud. Elektrony jsou totiž vytrženy z atomů a mohou se volně pohybovat - mohou

tedy přenášet elektrický náboj. U pevných dielektrik může dojít i k mechanickému poškození (u kapalin a plynů

k poškození nedochází).

Průraz dielektrika známe všichni: blesk ve vzduchu, piezokrystal na zapalování plynového sporáku, plynový zapalovač, elektrická svářečka, … Elektrická intenzita je natolik

velká, že uvolní vodivostní částice z původně neutrálních molekul (v kapalinách a plynech to jsou jak elektrony, tak i ionty) a dielektrikem prochází elektrický proud.

Při elektrickém průrazu je překročena elektrická pevnost dielektrika, která ale není

konstantní. Je závislá na teplotě, tloušťce dielektrika, vlhkosti, tvaru elektrod, … Elektrická pevnost dielektrika je velikost elektrické intenzita, při níž dojde k elektrickému

průrazu.

5.7 Kapacita, kondenzátor

Jak je zřejmé z předcházejícího, je každé těleso schopnost pojmout určitý volný náboj.

Velikost tohoto náboje není však neomezená. Říkáme, že má určitou kapacitu C. Jednotkou kapacity je farad (F). Pro praxi je to příliš veliká jednotka, převážně se používá pikofarad pF, nanofarad nF a mikrofarad µF.

Pro elektrotechniku se vyrábějí součástky, které mají obzvlášť velkou kapacitu, tzv. kondenzátory. Můžeme si je představit jako soustavu dvou vodivých desek oddělených

dielektrikem (obr. 21). Pokusy zjistíme, že kapacita deskového kondenzátoru závisí na plošném obsahu účinné plochy, tj. částí, kterou se desky kondenzátoru překrývají. Vložením slídové destičky mezi desky potvrdíme, že kapacita kondenzátoru závisí také na

druhu dielektrika mezi deskami. Tento jev vysvětlujeme polarizací dielektrika, která zmenšuje intenzitu elektrického pole

Základní uspořádání kondenzátoru

99

Kapacita deskového kondenzátoru je přímo úměrná obsahu S účinné plochy kondenzátoru a nepřímo úměrná vzdálenosti d desek kondenzátoru. Vliv dielektrika mezi

deskami kondenzátoru vyjadřuje permitivita ε. Při nabíjení kondenzátoru se zvětšuje potenciál mezi deskami. Místo potenciálu můžeme uvažovat napětí mezi deskami. Kapacitu kondenzátoru lze vypočítat dle vzorce

Druhy kondenzátorů:

a) podle tvaru – deskové, kulové, válcové, svitkové

b) podle použitého dielektrika -vzduchový, papírový, elektrolytický, keramický, slídový, plastový, tantalový

Různá provedení kondenzátorů

5.7.1 Spojování kondenzátorů

Spojení kondenzátorů: paralelní (vedle sebe), sériové (za sebou), příp. kombinované

Paralelní spojení kondenzátorů Sériové spojení kondenzátorů

Paralelní zapojení → při stejném provozním napětí se zvyšuje kapacita

Desky kondenzátoru A1 a A2, resp. B1 a B2 (viz obrázek) mají stejné napětí, platí tedy

Q1 = C1 · U a Q2 = C2 · U

a spojením se vytváří kondenzátor s větší účinnou plochou:

100

Výsledná kapacita při spojení n kondenzátorů:

Sériové zapojení → větší provozní napětí, výsledná kapacita je menší než kapacita kteréhokoli z použitých kondenzátorů.

Při nabití prvého kondenzátoru nábojem +Q se na vodiči B1, spojeném s A2, indukuje

nesouhlasný náboj –Q a na A2 stejně velký souhlasný náboj +Q (viz obrázek). Na deskách obou kondenzátorů je tedy stejně velký náboj: Q = C1 U1 a Q = C2 U2.

Na svorkách desek A1 a B2 je následující napětí:

Pro výslednou kapacitu baterie s počtem n kondenzátorů platí:

5.7.2 Nabíjení a vybíjení kondenzátoru

Měřítkem pro nabíjecí a vybíjecí čas je časová konstanta τ. Za dobu t = τ je kondenzátor nabit zhruba na 63%.

Časová konstatnta obvodu s kapacitou C a odporem R je součin odporu a kapacity.

101

τ = R . C

Kondenzátor se při určitém napětí nabíjí na maximum teoreticky nekonečně dlouhou dobu, prakticky dobu tc ~ 5. τ = 5 . R . C, pak je již nabíjecí proud

zanedbatelný.

Nabíjecí proud (ypočátku vybitého kondenzátoru) nejprve rychle vzroste a pak

pomalu klesá.

Nabíjení kondenzátoru trvá při určitém napětí tím déle, čím větší je jeho kapacita

a čím větší je odpor vodičů a zdroje v nabíjecím obvodu.

V okamžiku zapnutí obvodu působí kondenzátor jako zkrat. Nabitý kondenzátor

působí ve stejnosměrném obvodu jako přerušení.

Nabitý kondenzátor zabraňuje ve stejnosměrném obvodu průchodu proudu.

6 Magnetické pole, magnetické vlastnosti látek

6.1 Magnetické vlastnosti látek

Magnetické vlastnosti látek jsou určeny vlastnostmi atomů, z nichž je látka složena. K tomuto poznatku dospěl již Ampere, který tvrdil, že magnetické vlastnosti látek určují

elektrické proudy uvnitř těchto látek. Velmi zjednodušeně si můžeme představit, že elektrony v atomech se pohybují

po malých uzavřených smyčkách a vytvářejí elementární magnetická pole, která se skládají

a vytvářejí výsledné magnetické pole atomu. Jednou z vlastností elektronů je, že se otáčejí kolem vlastní osy. Tomuto otáčení říkáme spin. Souhlasný spin elektronů vyvolává

magnetizmus elementárních magnetů. Podle toho jak jsou látky vtahovány či vypuzovány z magnetického pole, můžeme je

dělit do tří skupin:

1. Diamagnetické látky – z magnetického pole slabě vypuzovány 2. Paramagnetické látky – do magnetického pole slabě vtahovány

3. Feromagnetické látky – do magnetického pole silně vtahovány Již slabým magnetickým polem lze u feromagnetických látek vyvolat takové

uspořádání atomů, že se magnetické pole zesílí. Dochází k magnetování látky a magnetické

pole v ní zůstává, i když vnější působení zanikne. Paramagnetické a feromagnetické látky považujeme za nemagnetické.

Pro každou feromagnetickou látku existuje určitá teplota, při jejímž překročení látka ztrácí feromagnetické vlastnosti a stává se látkou paramagnetickou. Tato teplota se nazývá Curieova teplota. Existují další způsoby jak zbavit magnetickou látku magnetizmu například

prudké pohyby, nárazy nebo poloha v rychle se měnícím magnetickém poli. Z prvků patří mezi feromagnetické pouze čtyři: železo (Fe), kobalt (Co), nikl (Ni)

a gadolinium (Gd).

102

Mezi feromagnetické látky patří také látky ferimagnetické neboli ferity. Jsou to často

sloučeniny oxidu železa s oxidy jiných kovů (Mn, Ba). Mají mnohem větší elektrický odpor než kovové feromagnetické látky a nalezly široké využití v praxi jako permanentní magnety.

6.2 Magnetické pole

Magnetické pole je druh silového pole, které vytváří vodič s proudem, pohybující se částice nebo těleso s elektrickým nábojem, zmagnetované těleso (např. magnet) a proměnné elektrické pole. Magnetické pole je zvláštní případ pole elektromagnetického.

Magnetické pole, jehož charakteristické veličiny (např. magnetická indukce) se s časem nemění, je stacionární magnetické pole. Vytváří ho nepohybující se vodič

s konstantním proudem, proud částic s nábojem při pohybu rovnoměrném přímočarém a nepohybující se magnet.

Magnetické pole se projevuje silovými účinky a můžeme ho prokázat různými

způsoby. V nejjednodušším případě zjišťujeme magnetické pole magnetkou. Magnetické pole můžeme znázorňovat indukčními čarami. Indukční čáry jsou čáry

znázorňující rozložení magnetického pole v prostoru. Indukční čáry jsou vždy uzavřené, tj. procházejí magnetem. Dohodnutá orientace indukčních čar mimo magnet je od severního pólu k jižnímu.

Indukční čáry

6.3 Magnetické pole elektrického proudu

V roce 1820 zjistil dánský fyzik H. Ch. Oersted pomocí magnetky, že v okolí vodiče

s proudem je magnetické pole. Tím byla prokázána souvislost magnetického pole s polem

elektrickým. Tento pokus je také důkazem, že magnetické pole proudu působí na magnet. Silové působení je však vzájemné a magnet působí svým magnetickým polem na vodič

s proudem.

Magnetka u vodiče, kterým prochází proud

Při průchodu proudu vodičem vzniká kolem vodiče magnetické pole. Při určování směru indukčních čar používáme pravidlo pravotočivého šroubu. Směr indukčních čar je

103

stejný jako směr otáčení pravotočivého šroubu, který zašroubováváme po směru, kterým

prochází proud. Objev magnetického pole v okolí vodiče, kterým prochází proud, je základním

objevem pro vývoj elektrických strojů, např. elektromotorů.

Pravidlo pravotočivého šroubu Vodič v magnetickém poli

6.4 Magnetický indukční tok

Celkové magnetické pole (magnetu nebo cívky) označujeme jako magnetický

(indukční) tok a lze jej znázornit jako souhrn všech indukčních čar. Magnetický indukční tok

se označuje ɸ (jako světelný tok) nebo ɸB pro odlišení toku intenzity elektrického pole ɸE. Celkový magnetický tok cívky prochází vnitřním průřezem cívky.

Magnetický tok může být měřen podle silových účinků. Jednotkou magnetického

(indukčního) toku je voltsekunda (V. s = m2 . kg .s-2 . A-1). Speciální jednotkou je weber (Wb).

Větší elektrický proud vytváří větší magnetický (indukční) tok.

Magnetický tok cívky protékané proudem je přímo úměrný počtu závitů

cívky.

6.5 Magnetomotorická síla

Magnetické pole vodiče a magnetické pole magnetu na sebe navzájem působí. Síla (Fm),

kterou působí magnetické pole na vodič, závisí na magnetické indukci B, na proudu I, který prochází vodičem, a na tzv. aktivní délce l vodiče, tj. délce té jeho části, na kterou magnetické pole působí. Pro sílu v homogenním magnetickém poli platí vztah

sinBIlFm

kde α je úhel, který svírá vodič s indukčními čarami. Jsou-li indukční čáry kolmé, používáme

jednodušší vztah

BIlFm

Veličina B se nazývá magnetická indukce. Je to vektorová veličina a úplně

charakterizuje magnetické pole. Někdy se k určení magnetického pole užívá další vektor H, který se nazývá intenzita magnetického pole.

104

6.6 Hysterezní smyčka

Při magnetizaci nezmagnetizované magnetické látky se mění magnetická indukce B

v látce v závislosti na intenzitě magnetického pole H nejprve podle magnetizační křivky z bodu 0 do bodu nasycení.

Přestože intenzita magnetického pole klesne na nulu, zůstává ve zmagnetizovaném železe remanentní magnetická indukce Br (zbytkový magnetizmus), odpovídající bodu 2 na grafu.

Opačně orientovaná intenzita magnetického pole odstraní remanentní magnetickou

indukci. Cívka je v této situaci zdrojem intenzity magnetického pole, v železe však není

žádná magnetická indukce. Tato intenzita nutná k odstranění zbytkového magnetizmu se nazývá koercitivní intenzita magnetického pole a označuje se Hc (bod 3 na grafu).

Bude-li pokračovat zvyšování proudu, dojde ke zmagnetizování železného jádra a jeho

nasycení při opačné orientaci H i B. Po odpojení proudu zůstane v jádře cívky opět zbytkový magnetizmus (bod 5 na grafu).

Hysterezní smyčka

Tato křivka přemagnetizace feromagnetické látky se nazývá hysterezní smyčka. Je-li cívka s železným jádrem napájena střídavým proudem, mění se stále orientace Weissových domén, energie potřebná na tyto změny se mění v teplo a železné jádro se zahřívá. Tyto

tepelné ztráty se nazývají hysterezní ztráty. Tyto ztráty také nazýváme ztráty v železe.

Hysterezní smyčka magneticky měkkých materiálů (např. transformátorové plechy)

je úzká a přemagnetizace je spojena s malými ztrátami. Z magneticky tvrdých materiálů se vyrábějí permanentní magnety.

6.7 Silové účinky magnetického pole

Při dvou rovnoběžných vodičích vznikají kolem každého vodiče magnetická pole, ale

ta nejsou homogenní. Oba vodiče na sebe navzájem působí silami, které označíme F a – F. Jedná se o dvě opačné síly, které vznikají při vzájemném působení těles. Pokud dáme vedle sebe dva vodiče, kterými bude procházet proud stejným směrem,

potom se budou vodiče navzájem přitahovat. Pokud však jedním vodičem poteče proud opačným směrem, potom se budou vodiče vzájemně odpuzovat.

105

Měřením se zjistilo, že pro sílu F, kterou na sebe působí dva navzájem rovnoběžné

vodiče délky l, jimiž procházejí proudy I1 a I2, platí vztah

kde μ je tzv. permeabilita prostředí kolem vodičů, d vzdálenost vodičů.

Vztah platí pro vodiče se zanedbatelným průřezem.

Přitahování vodičů Odpuzování vodičů

(Tečka – hrot šípu – znamená, že proud směřuje k nám. Křížek – stabilizační plochy – označuje směr proudu od nás)

6.8 Elektromagnety a jejich praktické použití

Elektromagnety při své funkci využívají silové účinky elektromagnetického pole. Hlavními částmi elektromagnetu jsou cívka napájená elektrickým proudem, pevné jádro, na kterém je cívka upevněna a pohyblivá kotva, kterou jádro přitáhne při zavedení proudu

do cívky. Podle druhu napájecího napětí je dělíme na stejnosměrné a střídavé, ty pak mohou být jednofázové nebo třífázové. Pro svoje vlastnosti se elektromagnety používají v celé řadě

elektrických přístrojů a mohou mít různá provedení.

6.8.1 Elektromagnety na stejnosměrný proud

Jak je zřejmé z obrázku napravo, má

stejnosměrný elektromagnet cívku, jádro a kotvu. Jádro musí být vyrobeno z magneticky měkkého materiálu. Nejčastěji se používá plný materiál, jádro může být také

složeno z plechů, tak jak tomu je u střídavých elektromagnetů. Cívka a část jádra, na kterém je

umístěna, má obvykle válcový tvar. Podmínkou je, že kotva se nesmí přímo dotýkat jádra, protože i při použití magneticky měkkého materiálu

může dojít k tzv. lepení vlivem zbytkového magnetismu, což se projevuje tím, že kotva neodpadne

106

okamžitě po vypnutí proudu cívky. Řeší se to oddělením kotvy od jádra podložkou z

nemagnetického materiálu (měď, mosaz, plasty) nebo vzduchovou mezerou (např. u třísloupkových jader je nižší střední sloupek jádra). U větších elektromagnetů se po sepnutí

napájí cívka přes omezovací rezistor, protože k udržení elektromagnetu v sepnutém stavu stačí menší výkon, než je zapotřebí k jeho sepnutí.

6.8.2 Elektromagnety na střídavý proud

Střídavý elektromagnet musí mít vždy jádro složeno z plechů

z magneticky měkkého materiálu, aby se zamezilo vzniku ztrát vířivými proudy a tím k nadměrnému zahřívání

jádra a ztrátě výkonu. Protože střídavý proud při změně

polarity prochází nulovou hodnotou, není kotva trvale přitažena k jádru, chvěje se a při kmitočtu 50 Hz je

100x za sekundu přitažena a v zápětí uvolněna. To se projevuje nepříjem-

ným vrčením o kmitočtu 100 Hz a v případě spínacích přístrojů chvěním celých mechanismů

a nedokonalým sepnutím kontaktů. Tento nežádoucí jev se naopak využívá u střídavých bzučáků a houkaček.

Aby se nežádoucímu chvění a následnému vrčení zabránilo, vkládá se do jádra střídavého elektromagnetu závit nakrátko, u třísloupkových jader dva závity nakrátko umístěné v krajních sloupcích. V závitu nakrátko indukuje elektromagnetický tok procházející

jádrem a vybuzený proudem cívky napětí, které má časově stejný průběh jako proud cívky. Indukované napětí způsobí, že závitem nakrátko prochází proud, který je vlivem induktivního

charakteru závitu na-krátko opožděn o 900

oproti indukovanému

napětí a tím i elektro-magnetickému toku

v jádru. Elektromagne-tický tok vytvořený závitem nakrátko je

tedy maximální v době, kdy proud cívky a elek-

tromagnetický tok jádra prochází nulovou hod-notou. Tím drží kotvu

přitaženou k jádru. Do jader střídavých

elektromagnetů je možné použít také cívky na stejnosměrný proud. Elektromagnet bude bezchybně fungovat.

Na následujícím obrázku je ukázka elektromagnetu, který je při vhodné cívce možné použít na střídavý i stejnosměrný proud.

107

6.8.3 Příklady použití elektromagnetů, elektromagnetické přístroje

pohon mechanismů (obrázek vlevo)

pohon elektromagnetických přístrojů (relé – obrázek uprostřed a stykače

obrázek vpravo)

spouště v ochranných přístrojích –

jističe (obrázek vlevo), chrániče, spínače; elektromagnety reagují na zvýšený nebo

snížený proud, na zvýšené napětí nebo na výpadek dodávky proudu

ovládání pneumatických a hydraulických ventilů

(obrázek vpravo)

tahové elektromagnety stejnosměrné, střídavé

jednofázové nebo třífázové – pro ovládání mechanismů brzd, spojek, převodovek apod.

(obrázek vlevo)

elektromagnetické brzdy a spojky, často

využívají kombinaci působení permanentního magnetu a elektromagnetu (obrázek vpravo)

břemenové elektromagnety (obrázek vlevo) –

pro přepravu magnetických materiálů jeřáby (např. šrotiště)

upínací elektromagnety (obrázek vpravo) – pro upínání obrobků z magnetických materiálů na

stoly obráběcích strojů; tyto elektromagnety nemají kotvu, tu vytváří upínaný materiál

7 Elektromagnetická indukce

108

Elektrickou energii ve většině případů získáváme v elektrárnách v generátorech

využitím elektromagnetické indukce. Pokud na cívku s větším počtem závitů připojíme citlivý voltmetr a rychle vsuneme

do dutiny cívky trvalý magnet, potom pozorujeme vychýlení ukazovatele voltmetru. Vidíme, že se ukazovatel vychýlí, ale brzy se vrátí do nulové polohy. Můžeme tedy říci, že při vsunutí magnetu vzniká, tj. indukuje se v cívce napětí. Stejně se napětí indukuje, vysunujeme-li

magnet z cívky, ale proud v obvodu cívky má opačný směr. Mezi svorkami je tedy při vysunutí magnetu opačně pólované napětí. Tento pokus můžeme zkusit i obráceně a to tak, že

na pevně uchycený magnet budeme nasouvat cívku. Naše pozorování voltmetru bude stejné jako v prvním případě.

Elektromagnetická indukce v pevné cívce

Nyní se zdá, že příčinou indukce je pohyb, avšak následující pokus toto tvrzení vyvrátí. Pokud vedle sebe postavíme jednu cívku (primární) připojenou přes tlačítko na zdroj napětí

a spojíme ji přes společné ocelové jádro s druhou cívkou (sekundární) připojenou na citlivý voltmetr a stiskneme tlačítko, pozorujeme na voltmetru vychýlení ukazovatele. Při každém

dalším stisku tlačítka se ukazovatel vychýlí. Je tedy zřejmé, že příčinou vzniku indukovaného napětí není pohyb.

Změnou magnetického pole v okolí cívky se v cívce indukuje napětí a v uzavřeném obvodu prochází indukovaný proud. Směr proudu je závislý na směru změny magnetického

pole a na orientaci pólů magnetu vůči cívce.

Indukované napětí vzniká při změně magnetického indukčního toku v okolí vodiče.

109

Vzájemná elektromagnetická indukce

Uvedené situace mají za následek vytvoření (indukci) elektrického proudu v elektrickém obvodu, ačkoliv k tomuto obvodu nebyl připojen žádný zdroj. Ve všech případech vzniká v elektrickém obvodu proud tím, že na nabité částice elektrického obvodu

začnou působit síly, které je uvedou do pohybu.

Indukční zákon nám tedy říká: Napětí indukované v cívce je tím větší, čím větší je

počet závitů cívky, čím větší je změna magnetického toku a čím kratší je trvání změny toku.

7.1 Lenzovo pravidlo

Při pohybu vodiče napříč magnetickým polem se ve vodiči indukuje napětí, které

vyvolá proud. Tento proud vyvolá kolem vodiče magnetické pole, které pak spolupůsobí společně s polem magnetu. Pole vodiče je orientované tak, že se výsledné pole před pohybujícím se vodičem zhustí, a tím vyvine na vodič sílu působící proti směru jeho pohybu.

Ze směru indukčních čar výsledného pole před pohybujícím se vodičem lze určit směr proudu ve vodiči.

Pole magnetu a pole vodiče Výsledné pole Vodič je indukovaným polem brzděn ve svém pohybu

110

Lenzovo pravidlo zní: Proud vyvolaný indukovaným napětím je orientován tak,

že svými magnetickými účinky působí proti změně původního toku.

7.2 Indukčnost (vlastní indukčnost)

Představme si cívku s N závity, kterou protéká elektrický proud I proti směru hodinových ručiček. Pokud se nemění proud, je magnetický tok smyčkou konstantní. Předpokládejme ale, že se proud I mění s časem, potom podle Faradayova zákona vznikne

napětí působící proti změně, která ho vyvolala. Vlastnost smyčky, při které její vlastní pole působí proti změnám proudu, nazýváme

vlastní indukčnost a generované elektromotorické napětí nazýváme vlastní (zpětné) elektromotorické napětí. Všechny smyčky protékané proudem mají tuto vlastnost. Prvek obvodu, který má velkou vlastní indukčnost nazýváme induktor neboli cívka.

Fyzikálně je vlastní indukčnost L mírou „odporu“ induktoru proti změně elektrického proudu. Čím větší je hodnota L, tím menší bude skutečná změna proudu. Tak jako rezistor je

charakterizován svým odporem R, je cívka charakterizována svojí indukčností L. Jednotkou indukčnosti je jeden henry (H).

Válcová cívka (solenoid)

Změní- li se za dobu Δt proud o ΔI, změní se magnetický indukční tok cívkou o ΔΦ a v cívce se indukuje napětí

Indukčnost je vlastnost celého elektrického obvodu - všech prvků, které jsou v něm zapojeny. Projevuje se ale nejvíce u cívek a především u těch, které mají uzavřené

feromagnetické jádro. Ty mají široké uplatnění v praxi a nazývají se tlumivky. Indukčnost cívek bez jádra je řádově 10-6 – 10-2 H, tlumivky s jádrem mají indukčnost. 10-1 – 102 H.

Pro indukčnost dlouhé válcové cívky o délce l, s obsahem plochy jednoho závitu S a s počtem

závitů N platí

111

7.3 Vířivé proudy

Pokud se v magnetickém poli pohybuje destička (těleso) z vodivého materiálu (např. hliník), potom se v této destičce indukuje elektrické napětí, které vyvolává silný proud neboť

destička vytváří uzavřenou vodivou smyčku. Proud zde nemá pevně vymezenou cestu, proto zde mluvíme o vířivých proudech.

Pohybujke-li se kovový předmět v magnetickém poli, vznikají v něm vířivé

proudy a brzdí pohyb.

Prochází-li magnetické střídavé pole kovem, indukuje v něm vířivé proudy,

které kov silně zahřívají.

Vířivé proudy mohou způsobovat energetické ztráty, mohou však být i účelně využívány:

- indukční ohřev

- odstínění vysokofrekvenčních magnetických polí

- brždění (kotouček elektroměru)

- měření výkonu motorů

7.4 Skin-efekt

Skin-efekt nebo též povrchový efekt je vytlačování vf proudu na povrch vodiče vlivem magnetického pole uvnitř vodiče. Tím se například zvětšuje odpor vinutí cívky. Proto

se ve sdělovací technice používají postříbřené měděné vodiče a cívky mají feritová jádra, aby se ušetřilo na počtu závitů vinutí, zvětšením indukčnosti pomocí jádra s malými

ztrátami.

7.5 Transformátory

Transformátor definujeme jako netočivý elektrický stroj pracující na principu elektromagnetické indukce, který mění přivedené střídavé napětí na jinou hodnotu při nezměněném kmitočtu.

Nejvýznamnější uplatnění transformátorů je především v energetice, kde se využívají pro hospodárný přenos elektrické energie z místa výroby ke spotřebiteli pomocí vysokých

a velmi vysokých napětí. Používají se pro přeměnu střídavého napětí a proudu v nejrůznějších průmyslových zařízeních, automatizační technice, elektronice apod. Proto se v praxi setkáváme s celou řadou různých druhů transformátorů.

Jmenovité výkony transformátorů se pohybují v hodnotách od zlomků voltampéru až po stovky megavoltampérů. Podobně je tomu i s napětím. Na těchto parametrech a také

na tom, pro jaké účely je transformátor určen, závisí konstrukce transformátoru. Podle použití rozdělujeme transformátory na:

energetické výkonové transformátory – určené pro přenos elektrické energie v rozvodných sítích, je u nich požadavek na velký výkon, vysokou účinnost (až 99%)

a stabilitu výstupního napětí při změnách zatížení

energetické distribuční transformátory – zajišťují přenos elektrické energie

ke spotřebitelům, podobně jako u výkonových transformátorů je u nich požadavek na velký výkon, vysokou účinnost a stabilita výstupního napětí při změnách zatížení

pecové transformátory – pro napájení elektrických pecí, dělíme je na

112

o odporové – topné odporové články jsou připojeny na řízené napětí

sekundárního vinutí,

o obloukové – transformují vysoké napětí na nízké o velikosti desítek voltů,

které je potřebné k zapálení a k hoření elektrického oblouku; na straně nízkého napětí jsou proudy až statisíců ampér, proto se řízení napětí provádí na primární straně, tyto transformátory musí být odolné proti zkratům,

odolnost se zvyšuje s pomocí tlumivek

o indukční – sekundárním vinutím je tekutý prstenec zahřívané látky – kovu,

primární vinutí je podobné jako u běžného transformátoru; pro menší ohřívané předměty se používají kmitočty 2 až 10 kHz

svařovací transformátory – pro obloukové a odporové svařování

o transformátory pro svařování elektrickým obloukem – používá se tzv. rozptylový transformátor s uměle zvětšeným rozptylem pomocí jader

vložených do rozptylových drah nebo vzduchových mezer v magnetickém obvodu; k zapálení oblouku je třeba sekundární napětí 80 až 100 V a pro

hoření jen 20 až 30 V, transformátor se tomu musí rychle přizpůsobit, přičemž se nesmí příliš měnit svařovací proud

o transformátory pro odporové svařování – na svařované místo působíme

krátkodobě zkratovým proudem 1 kA až 100 kA; k dosažení těchto vysokých proudů na sekundární straně bývá zpravidla pouze jeden závit, velikost

svařovacího proudu se mění přepínáním odboček na primární straně

měničové transformátory – pro napájení polovodičových měničů (především u řízených

usměrňovačů má odebíraný proud tvar impulzů a dochází ke vzniku širokého spektra vyšších harmonických)

autotransformátory – mají pouze jedno vinutí, jehož část je společná pro primární

i sekundární obvod

spouštěcí – transformátory a autotransformátory používané pro spouštění synchronních

a asynchronních motorů velkých výkonů (motory se rozbíhají na menší napětí, které se postupně zvyšuje)

regulační – transformátory a autotransformátory s regulací výstupního napětí, využití pro zkušební a laboratorní účely

měřicí transformátory napětí a proudu – pro měření vysokých napětí a velkých proudů

napájecí (síťové) transformátory – pro napájení elektrických zařízení nízkého a malého

napětí, podle zajištění ochrany před úrazem elektrickým proudem je rozdělujeme na:

o převodové – mění napětí, nemají bezpečnostní funkci

o oddělovací – vytvářejí elektrický obvod odizolovaný od sítě i země, musí

splňovat požadavky na zvýšenou izolaci vinutí

o bezpečnostní – vytvářejí obvod napájený bezpečným napětím, musí splňovat

požadavky na zvýšenou izolaci vinutí

vysokofrekvenční transformátory – pro vysokofrekvenční obvody a spínané zdroje

další transformátory, jako např. lokomotivní, natáčecí atd.

113

Dále se transformátory rozdělují podle konstrukce magnetického obvodu (jádrové,

plášťové, speciální), podle počtu fází (jednofázové, trojfázové a mnohofázové), podle chlazení (vzduchové, olejové, s nehořlavou kapalinou) a podle uspořádání vinutí (souosé,

soustředné). Na následujících obrázcích vidíme zleva: výkonový energetický transformátor, oddělovací

transformátor, bezpečnostní transformátor s oddělenými vinutími a regulační

autotransformátor.

Na následujících obrázcích vidíme zleva toroidní transformátor do spínaných zdrojů, vysokonapěťový transformátor pro napájení obrazovky monitoru a čtyři vysokofrekvenční

transformátory s feritovými jádry.

7.5.1 Popis transformátoru

Z konstrukčního hlediska je transformátor ze všech střídavých strojů nejjednodušší. Proti točivým elektrickým strojům nemá mechanické ztráty a má mnohem jednodušší magnetický obvod (bez drážek pro vinutí), složený z plechů s menšími měrnými ztrátami.

Energetická účinnost transformátoru je proto podstatně větší než u všech ostatních elektrických strojů.

Hlavní části výkonového transformátoru jsou:

magnetický obvod, tzv. jádro

vinutí – primární a sekundární

zařízení zajišťující chlazení – nejčastěji vzduchové nebo olejové

mechanické, konstrukční a izolační součásti

Magnetický obvod vysokonapěťových transformátorů jádrového typu je složen z transformátorových křemíkových plechů a je tvořen sloupky a spojkami. Na sloupcích je izolovaně umístěno nejdříve vinutí nižšího napětí a na něm vinutí vyššího napětí.

114

Takto vyrobený transformátor je vložen do nádoby, která se naplní olejem. Olej dobře odvádí

teplo vznikající ve vlastním transformátoru a zvětšuje elektrickou pevnost. Pro lepší chlazení je nádoba opatřena chladicími trubkami, popř. žebry nebo radiátory. Na víku nádoby, která

zakrývá vlastní transformátor, jsou porcelánová průchodky pro vyvedení konců vinuti, přepínač odboček a dilatační nádoba spojená trubkou s olejovou náplní. Olej při ohřívání transformátoru zvětšuje svůj objem

a přechází do dilatační nádoby. Olej se v této nádobě stýká se vzduchem jen na

své malé hladině, a tak je omezeno jeho znehodnocování okysličováním a vlhkostí. Mezi nádobu transformátoru a dilatační

nádobu se vkládá plynové relé signalizující poruchu (přehřívání) transformátoru.

Celý transformátor je připevněn k podvozku, který u velkých transformátorů umožňuje plynulý pohyb (obvykle po

kolejích). Energetický transformátor vidíme na obrázku vpravo.

U napájecích a síťových transformátorů je pořadí vinutí opačné – nejprve se na cívku navine vinutí primární a po něm teprve vinutí sekundární.

Je nutné odlišovat pojmy vinutí a cívka. Pojem cívka vyjadřuje konstrukční provedení vinutí. Na cívce může být jedno nebo více vinutí, popř. pouze část vinutí. Transformátor může

mít vinutí uloženo na jedné, dvou nebo více cívkách.

7.5.2 Princip činnosti transformátoru

Při vysvětlení principu činnosti transformátoru se budeme zabývat jednoduchým

bezeztrátovým transformátorem s uzavřeným magnetickým obvodem, na němž je umístěno primární (vstupní) a sekundární (výstupní) vinutí.

Připojíme- li na primární vinutí střídavé sinusové napětí, začne jím procházet střídavý proud, který vybudí v magnetickém obvodu střídavý magnetický tok. Tento magnetický tok indukuje v sekundárním vinutí napětí, jehož velikost je dána indukčním zákonem a je úměrná počtu

závitů:

s,Wb;Vt

.Nu0

u0 indukované napětí

Δ změna magnetického toku

Δt čas trvání změny

Připojíme- li k sekundárnímu vinutí zátěž (spotřebič), bude procházet sekundárním obvodem proud, jehož směr bude takový, aby svými účinky (magnetickým tokem) působil proti magnetickému toku, který ho vyvolal. Velikost proudu závisí na impedanci zátěže.

Principiální schéma jednofázového transformátoru

115

U1

napětí na primárním vinutí

I1 proud v primárním vinutí N1 počet závitů na primárním vinutí

magnetický tok

U2 napětí na sekundárním vinutí I2 proud v sekundárním vinutí

N2 počet závitů na sekundárním vinutí Z zátěž (impedance zátěže)

7.5.3 Indukované napětí a převod transformátoru

Jak již bylo uvedeno, v sekundárním vinutí se podle principu Faradayova indukčního zákona indukuje elektrické napětí.

s,Wb;Vt

.Nu2

Proto transformátor pracuje jen na střídavý nebo pulsující proud, protože u stejnosměrného proudu se nemění magnetický tok a na sekundárním vinutí se proto nemůže indukovat žádné napětí.

Dosadíme-li do indukčního zákona veličiny pro primární a sekundární vinutí s předpokladem, že oběma vinutími prochází stejný magnetický tok a ztráty transformátoru jsou zanedbatelné,

bude platit:

t.Nu 11

t.Nu 22

Dělením obou rovnic získáme výraz pro převod:

2

1

2

1

N

N

U

Up

Z rovnosti výkonů v primárním i sekundárním vinutí (při zanedbání ztrát) vyplývá, že:

21 PP a po dosazení za výkony 2211 IUIU získáme výraz pro převod:

indexem 1 jsou označeny veličiny primárního vinutí a indexem 2 veličiny sekundárního vinutí Převod transformátoru můžeme vyjádřit:

1

2

2

1

2

1

I

I

N

N

U

Up

Z předchozího vztahu pro bezeztrátový transformátor vyplývá, že velikosti

indukovaných napětí jsou přímo úměrné počtům závitů jednotlivých vinutí a odpovídají poměru napětí na primárním a sekundárním vinutí. Pro proudy platí poměr opačný – je-li

stejný výkon, musí být při vyšším napětí proud menší a naopak.

1

2

2

1

I

I

U

Up

116

7.5.4 Návrh jednofázového transformátoru

Běžné jednofázové transformátory pro menší výkony do 1 kVA lze navrhnout způsobem uvedeným v následujícím článku. Při výpočtu neuvažujeme se ztrátami

a předpokládá se magnetická indukce 1 T. Z požadovaných parametrů transformátoru se nejprve vypočítám zdánlivý výkon S:

A,V;A,V;VAIUIUS;SSS 221121

Dalším krokem je výpočet průřezu jádra transformátoru SFe:

VA;cmSS 2Fe

Protože jádra transformátorů se vyrábějí v typových řadách, zvolíme jádro s nejbližším

vyšším průřezem. Je-li tento průřez výrazně vyšší než vypočítaný průřez, můžeme si přepočítat zdánlivý výkon transformátoru pro tento větší průřez. Nyní si vypočítáme počet závitů na 1 V:

2

Fe

V1 cm,;S

45N

Abychom při výpočtu zohlednili úbytek napětí, obvykle volíme:

V;VU05,1UV;VU95,0U 22i11i

Lze také provést pouze úpravu u sekundárního vinutí o 10%:

V;VU1,1UV;VUU 22i11i

Dále si vypočítáme počty závitů primárního a sekundárního vinutí:

,V;NUN,V;NUN V12i2V11i1

Proudová hustota potřebná pro stanovení průřezů vinutí se udává v rozmezí J = 2,5 až

3,5 A.mm-2. Z údajů o proudu lze vypočítat průřez a průměr vodiče. Při návrhu primárního vinutí je vhodné počítat také se ztrátami transformátoru (např. 20%), o které bude příkon vyšší, tzn., že dojde k nárůstu primárního proudu:

A;AI2,1IVA;VAS2,1S 11121

Průřezy vodičů vypočítáme:

2222v

22111v Amm,A;mm

J

ISAmm,A;mm

J

IS

7.5.5 Ztráty v transformátoru

V provozu skutečných transformátorů dochází ke

ztrátám. Připojením napětí na primární vinutí jím začne protékat proud, který vytvoří střídavý hlavní

magnetický tok, který se uzavírá jádrem, a dále v blízkosti vinutí vzniknou rozptylové magnetické

toky, které se uzavírají vzduchem.

Připojením zátěže na svorky sekundárního vinutí začne sekundárním obvodem protékat proud a do

zátěže je dodáván výkon. Protože vodiče vinutí transformátoru mají činný odpor, vzniká na nich úbytek napětí, jehož velikost je přímo úměrná proudu ve vinutí.

Další ztráty, tzv. ztráty v železe, vznikají vlivem střídavého magnetického toku v jádru transformátoru. Tyto ztráty dělíme na hysterezní ztráty a na ztráty vířivými proudy. Ztráty

v magnetickém obvodu pokrývá transformátor zvýšeným odběrem proudu ze sítě.

117

Na obrázku jsou znázorněny ztráty vířivými

proudy. Vložíme-li vodič do střídavého magnetického pole, bude se v něm indukovat

napětí. Bude-li magnetický obvod vyroben z plného materiálu, chová se jako vodič v magnetickém poli vytvořeném magnetickým

tokem. Plný materiál si můžeme představit jako by byl složen se závitů nakrátko, ve kterých se

indukují napětí a protékají proudy nakrátko (obrázek vlevo). Ty způsobují nadměrné zahřívání materiálu jádra. Složíme-li však jádro z plechů (obrázek vpravo), vzniku vířivých proudů prakticky zamezíme, protože odpor mezi plechy je výrazně vyšší než vnitřní odpor

materiálu plechů a jejich průřez je mnohonásobně menší než průřez jádra z plného materiálu. Magnetický obvod by měl být s ohledem na vznik vířivých proudů vyroben

z magnetického elektricky nevodivého materiálu. Všechny magnetické materiály jsou však vodivé. Jádro složené z plechů však vodivost značně snižuje.

7.5.6 Konstrukce transformátorů

7.5.6.1 Magnetický obvod

Magnetický obvod je nejčastěji složen z elektrotechnických (tzv.

transformátorových) plechů, které mají větší obsah křemíku než plechy určené pro točivé stroje. Výsledkem jsou menší měrné ztráty, které se udávají pro určitou magnetickou indukci a kmitočet.

Rozlišujeme plechy válcované za tepla (označované Et) a plechy s orientovanou strukturou (označované Eo), které mají menší měrné ztráty ve směru válcování. Orientované plechy

se používají k výrobě vinutých jader, např. toroidních. Plechy výkonových transformátorů se nejčastěji z obou stran izolují keramickou izolací, lakem nebo vodním sklem. Transformátory pro velmi malé výkony (desítky až stovky voltampérů) mají magnetické

obvody navrženy tak, aby při sériové výrobě byla zajištěna jednoduchá montáž a při jejich ražení co nejmenší odpad. Typické ukázky různých druhů těchto magnetických obvodů jsou

na následujícím obrázku. V horní řadě vidíme plechy pro jednofázové transformátory následujících tvaru: zleva

EI, EB, M, UI a plechy skládaného dvousloupkového jádra.

Ve spodní řadě jsou zleva plechy pro třífázové transformátory EI, plechy pro skládané jádro, dále vinutá jádra toroidní, dělené obdélníkové a obdélníkové.

118

Z tvarů plechů je patrný rozdíl u třísloupkových jader jednofázových a třífázových transformátorů. Jednofázové (tvary EI, EB a M) mají prostřední sloupek dvojnásobně široký

než krajní sloupky, protože je na něm umístěna cívka s primárním a sekundárním vinutím. U třífázových transformátorů jsou všechny sloupky stejně široké – na každém z nich je umístěna cívka s primárním a sekundárním vinutím.

Transformátory pro velké výkony se stavějí nejčastěji s magnetickým obvodem jádrovým nebo plášťovým, které se skládají z jader (sloupů), na nichž je umístěno vinutí, a ze spojek.

Podle způsobů spojení jader a spojek rozlišujeme magnetické obvody s tupým stykem

(jádra a spojky jsou k sobě pouze přiloženy) a magnetické obvody přeplátované (plechy jsou skládané tak, že jednotlivé vrstvy překrývají mezery mezi plechy).

Výhodou tupého styku je jednoduchá montáž i demontáž. Nevýhodou je možnost vzniku značných vířivých proudů v místě styku a nadměrné ohřátí železa.

Přeplátované obvody (viz obrázek

napravo) jsou výrobně poněkud složitější, ale dodatečné ztráty v železe jsou v nich

podstatně menší než v obvodech s tupým stykem.

Čtvercový nebo obdélníkový

průřez jader magnetických obvodů se používá pouze u malých

transformátorů. Z důvodu dosažení vysoké

účinnosti je snaha docílit kruhového průřezu jader. Proto se u velkých transformátorů průřez

jader dělá odstupňovaný. Mezi jednotlivými stupni se vytvářejí olejové kanály, které zlepšují chlazení magnetického obvodu. Průřez spojky se obvykle navrhuje čtvercový, obdélníkový

nebo s malým počtem stupňů. Každý stupeň a každý kanál spojky se spojuje s příslušným stupněm a kanálem jádra (sloupu).

119

Na následujících obrázcích je znázorněno, jakým způsobem je možné vytvářet jádra

kruhového průřezu z transformátorových plechů jejich skládáním (obrázek vlevo a uprostřed)

nebo navíjením (obrázek vpravo).

Jádra magnetického obvodu se dříve stahovala ocelovými svorníky a spojky

dřevěnými nebo ocelovými rámy. Zmenšoval se tak průřez jádra a zvětšovaly se ztráty vířivými proudy. Dnes se většinou celý magnetický obvod stahuje bandážemi z pevných plastů nebo skelné pásky, popř. bandážemi z ocelových pásů. Ocelové pásy jsou izolovány od

jádra a upevněny tak, aby nevytvářely závit nakrátko. Pro menší výkony transformátorů a vyšší kmitočty lze použít

železová a feritová jádra. Železové jádro je tvořeno železným prachem spojeným pojivem. Základ feritového jádra tvoří prach z kysličníku železitého rovněž spojený pojivem. Takto lze vyrobit jádra různých tvarů,

což v případě použití plechů není možné. Železová a feritová jádra splňují požadavek na magnetický

a elektricky nevodivý materiál. Používají se především pro vysokofrekvenční transformátory a pro transformátory ve spínaných zdrojích, kde rovně pracují na vysokých kmitočtech.

.

sloupku a sekundárním vinutí na druhém sloupku by měl malou účinnost.

120

7.5.6.2 Zapojení vinutí

Transformátory nemívají pouze jednoduchá primární a

sekundární vinutí (levý obrázek). Mohou mít primární i sekundární

vinutí s odbočkami (prostřední obrázek). Transformátory mohou mít také dvě sekundární vinutí

(pravý obrázek), sekundárních vinutí může být i více.

Upozornění:

Když transformátor na prostředním obrázku připojíme na napětí 230V mezi svorky 0

a 230V, musíme počítat s tím, že vlivem transformace bude proti svorce 0 na svorce pro 400V napětí 400V a na svorce 500V bude napětí 500V. Mezi vývody 230Va 400V bude napětí

170V a mezi vývody 400V a 500V bude napětí 100V.

7.5.6.3 Chlazení

Transformátory se chladí vzduchem, olejem a ve zvláštních případech speciální nehořlavou izolační kapalinou. Druh chladiva a způsob chlazení musí být vyznačeny na štítku

transformátoru. Transformátory pro malé výkony nemusejí mít zvláštní chladicí zařízení. Teplo se zde odvádí

přirozeným stykem oteplených částí nebo stěn nádoby s okolním vzduchem.

Olejové transformátory pro větší výkony mají nádoby opatřeny vlnami nebo svislými trubkami, které u transformátorů velkých výkonů vytvářejí tzv.

radiátorové chladiče. Pro intenzívní chlazení se používají ventilátory, které ofukují jednotlivé

radiátory. U transformátorů velmi velkých výkonů se používá nucené chlazení oleje vzduchem, kdy ohřátý olej se čerpadlem prohání chladičem (umístěným

mimo transformátor), který je ofukován vzduchem z ventilátoru.

Druh chladiva se označuje písmeny: Způsob oběhu se označuje písmeny:

O olej N přirozený

L nehořlavá izolační kapalina F nucený neřízený

G plyn D nucený řízený

W voda

S tuhý izolant

A vzduch

7.5.7 Autotransformátor

Autotransformátor má jediné vinutí, které zahrnuje primární i sekundární vinutí. Část vinutí je společná. Transformace probíhá za stejných podmínek jako u běžného

transformátoru s oddělenými vinutími. S pomocí autotransformátorů lze napětí zvyšovat

121

i snižovat. Vyrábějí se jako jednofázové a trojfázové. Mohou být opatřeny pevnými

odbočkami, nebo mohou mít plynulou regulaci výstupního napětí. Na obrázcích zleva je trojfázový autotransformátor, regulační jednofázový

autotransformátor, laboratorní zdroj s autotransformátorem a trojfázový regulační autotransformátor.

7.5.7.1 Schéma autotransformátoru

Na schématech vidíme zleva autotransformátor pro snížení napětí, uprostřed autotransformátor pro zvýšení napětí a vpravo regulační autotransformátor.

Z tohoto vztahu vyplývá, že typový výkon autotransformátoru může být menší než výkon transformátoru s oddělenými vinutími.

7.5.7.2 Regulační autotransformátor

Má obvykle toroidní jádro, na kterém je navinuto vinutí. Vodiče vinutí jsou uloženy vedle sebe a na vnější straně

odizolovány. Po nich se pohybuje obvykle uhlíkový kartáč, který přejíždí po vinutí, snímá napětí ze závitů a umožňuje regulaci

výstupního napětí.

Nevýhody autotransformátoru :

sekundární vinutí je galvanicky spojeno se sítí!

při přerušení společné části vinutí se primární vinutí dostává v plné výši na sekundární stranu

122

Proto se z bezpečnostních důvodů nesmí autotransformátor použít jako oddělovací nebo

bezpečnostní transformátor.

7.6 Tlumivky

7.6.1 Popis a funkce tlumivky

Tlumivka nepatří mezi elektrické stroje. Do učebního textu je zařazena proto, že má podobnou konstrukci jako transformátor, má však pouze jedno vinutí. V elektrických

obvodech se používá k bezeztrátovému snižování napětí a k utlumení proudových nárazů v elektrických obvodech, např. v zářivkových nebo výbojkových svítidlech, ve svářečkách,

elektrických obloukových pecích, při spouštění velkých elektromotorů apod. Tlumivku lze použít v odrušovacích filtrech i při filtraci usměrněného napětí.

Tlumivka je ve své podstatě cívka

většinou s jádrem z feromagnetického materiálu, jádro bývá složené z plechů

nebo lisované z feritových prášků. Existují však i tlumivky se vzduchovým jádrem. Druhu použitého jádra odpovídá

voltampérová charakteristika tlumivky, která udává změnu indukovaného napětí

v závislosti na procházejícím proudu. Pokud je jádro z feromagnetického materiálu, má charakteristiku

odpovídající magnetizační křivce, pokud má vzduchové jádro je její

charakteristika lineární (přímková) – viz horní obrázek.

Na dolním obrázku je schematicky znázorněn řez tlumivkou pro velké výkony, která

má feromagnetické jádro na svislých sloupcích přerušováno nemagnetickými podložkami

(vzduchovými mezerami). Tlumivka stejně jako ostatní cívky má

tvar válce (solenoid) nebo prstence (toroid). Do

elektrického obvodu se zapojuje za účelem zvýšení jeho indukčnosti.

Na následujících obrázcích dole jsou zleva tlumivka ze zářivkového svítidla, tlumivka z výbojkového svítidla, trojfázová

tlumivka a vysokonapěťová trojfázová tlumivka.

123

Na následujících snímcích vidíme různé druhy odrušovacích tlumivek na toroidních

feritových jádrech.

7.6.2 Reaktor

Reaktor je tlumivka bez

železného jádra, má přímkovou charakteristiku reaktance. Má větší rozměry, malou reaktanci a proto

reaguje až na velké proudy. Používá se k omezení zkratových proudů

v distribučních sítích.

7.6.3 Transduktor

Je tlumivka, která má kromě pracovního vinutí ještě jedno vinutí napájené

stejnosměrným proudem a toto vinutí se používá ke změně sycení tlumivky a tím k regulaci velikosti procházejícího střídavého proudu.

Transduktory se používají k řízení nebo měření střídavých proudů. Pomocí malého,

stejnosměrného proudu v řídícím obvodu se reguluje velký střídavý proud v zátěžovém obvodu. Základem transduktoru je přesytka, což je tlumivka, jejíž indukčnost je měněna

změnou předmagnetizace železného jádra stejnosměrným proudem. Proto má transduktor dvě vinutí – pracovní a regulační.

Jelikož má regulační vinutí mnoho závitů, aby bylo možné regulaci provádět malým

proudem, indukuje se v něm poměrně velké napětí, které by mohlo regulační obvod zničit. Proto je transduktor tvořen dvěma tlumivkami (přesytkami) spojenými v jeden celek.

Pracovní vinutí na obou tlumivkách může být propojeno do série (sériový transduktor na levém obrázku) nebo paralelně (paralení transduktor na pravém obrázku).

Dříve byly transduktory široce používány pro regulaci otáček elektromotorů nebo

regulaci osvětlení velkých sálů. Zde byly nahrazeny tyristorovými nebo triakovými

regulátory. Dnes se transduktory používají jako proudová čidla měřících obvodů ve výkonové elektronice.

124

8 Střídavý proud

Dodávky elektrické energie jsou uskutečňovány střídavým elektrickým proudem (AC),

protože jeho napětí lze téměř bez ztrát měnit pomocí transformátorů, např. z hodnoty 10kV na 400V. Nazýváme jej střídavý, jelikož se jeho hodnota pravidelně mění od nuly

ke kladnému maximu a zpět přes nulu k zápornému maximu.

8.1 Veličiny střídavých proudů

Bude-li se úsečka A = 0P na obrázku otáčet kolem svého bodu 0 proti pohybu hodinových ručiček, bude bod P opisovat kružnici a úhel α se bude měnit od 0° do 360°.

Svírá-li úsečka A s vodorovnou osou úhel α, rovná se souřadnice PPx = a = A sin α okamžité hodnotě veličiny sinusového průběhu. Bude-li se úhel α zvětšovat od 0°do 90°, bude se úsečka a také zvětšovat, a to z nulové hodnoty až na maximální hodnotu A, tzv. amplitudu.

Při zvětšení úhlu od 90°do 180°se bude úsečka a zmenšovat až na nulu, ale bude stále nad vodorovnou osou, tj. bude mít ladnou hodnotu. Při dalším zvětšování úhlu od 180°do

360°se bude úsečka a opět zvětšovat od nuly do A a pak se bude zase zmenšovat na nulu. Úsečka a leží v tomto intervalu pod vodorovnou osou, a proto okamžité hodnoty veličiny sinusového průběhu jsou záporné.

V pravé části obr. 37 je v rozvinutí vynesena závislost úsečky a na úhlu α. Je to grafické znázornění veličiny sinusového průběhu daného rovnicí a = A sin α. Na vodorovnou osu je

nanesen úhel α ve stupních a na kolmice jsou vyneseny příslušné okamžité hodnoty úsečky a. Spojením jednotlivých bodů dostaneme plynulou křivku zvanou sinusoida.

Grafické znázornění veličiny sinusového průběhu

Na obr. 37 vidíme, že se každý sinusový průběh pro úhel od 0°do 360°skládá ze dvou

stejných půlvln, z nichž jedna je nad vodorovnou osou (kladná půlvlna) a druhá pod

vodorovnou osou (záporná půlvlna). Obě půlvlny znázorňují jeden kmit. Čas potřebný k proběhnutí jednoho kmitu se nazývá perioda a, označuje se T. Počet kmitů za sekundu

se nazývá kmitočet, neboli frekvence, a označuje se f.

f = 1/T

125

Kmitočet je fyzikální veličina a její jednotkou je hertz (Hz). Jeden hertz je kmitočet

periodického (opakujícího se) děje, jehož jedna perioda trvá jednu sekundu

8.2 Vznik střídavého proudu

Generátor střídavého proudu (neboli alternátor) přeměňuje mechanickou energii

na energii střídavého elektrického proudu. Nejjednodušším generátorem by mohl být

obdélníkový závit, otáčející se mezi póly permanentního magnetu. Indukované napětí by však bylo nepatrné a proto se ve skutečných generátorech otáčí mezi póly cívka s mnoha závity.

Podstata však zůstává stejná - elektromagnetická indukce.

Závit v magnetickém poli Indukované napětí v otáčejícím se závitu

Otáčí-li se závit v magnetickém poli, indukuje se na jeho koncích napětí, jehož velikost závisí na úhlu, pod kterým protíná indukční čáry. V obvodu začne procházet proud,

jehož velikost a směr závisí na velikosti a polaritě indukovaného napětí. Na obrázku je průběh jedné otočky závitu rozdělen na devět fází, v dolní části je graficky znázorněna velikost

indukovaného napětí v jednotlivých polohách závitu:

rovina závitu je vodorovná, levá část se pohybuje proti směru indukčních čar, pravá ve směru indukčních čar. Vodiče tedy indukční čáry neprotínají, a proto se indukuje nulové napětí

vodiče protínají indukční čáry pod úhlem 45° a na koncích závitu se indukuje určité napětí

horní i dolní část závitu protínají indukční čáry pod úhlem 90° a na koncích závitu se indukuje maximální napětí - této fázi odpovídá poloha závitu nakreslená na levém obrázku

obě části protínají indukční čáry opět pod úhlem 45°a indukuje se menší napětí obě části se pohybují ve směru indukčních čar a indukované napětí je nulové -

závit vykonal právě polovinu otočky v další polovině otáčky se popsané situace opakují. Protože je však poloha

závitu vzhledem k indukčním čarám obrácená, indukuje se napětí opačné

polarity

Otáčením závitu v magnetickém poli vzniká v obvodu STŘÍDAVÝ PROUD.

Během jedné periody projde vodičem elektrický proud jedním a opačným směrem, například

v naší elektrické síti má střídavý proud frekvenci 50 Hz.

126

8.3 Efektivní hodnota střídavého proudu

Uvažujme obvod s odporem, kterým jednou protéká proud stejnosměrný a podruhé proud střídavý tak, aby jeho tepelný účinek – vyvolané teplo, byl stejný. Pro naši úvahu si vybereme dobu jedné periody T.

U stejnosměrného proudu je tato práce dána rovnicí: A = RI2T – plocha, která udává práci má tvar obdélníku.

U střídavého proudu je průběh okamžitých výkonů Ri2 sinusovka, posunutá nad osou a s dvojnásobným kmitočtem, plocha mezi čarou Ri2 a osou udává práci, vykonanou

střídavým proudem.

Porovnáním ploch, které představují práci, vykonanou stejnosměrným proudem (pravá strana rovnice)

a střídavým proudem (matematicky vyjádřená na levé straně rovnice lze odvodit efektivní hodnotu střídavého

proudu.

Efektivní hodnota střídavého proudu je taková hodnota proudu stejnosměrného, která má

stejné tepelné účinky jako daný proud střídavý.

8.4 Střední hodnota střídavého proudu

Střední hodnoty střídavého proudu mají většinou význam pro usměrněný proud a napětí. Při určení jeho velikosti vycházíme z usměrněného průběhu střídavého proudu:

Střední hodnota střídavého proudu se rovná myšlené hodnotě stejnosměrného proudu,

která má stejné chemické účinky jako uvažovaný střídavý usměrněný proud.

127

Převedeme-li tuto plochu na obdélník se stejnou plochou, bude jeho šířka Id odpovídat střední hodnotě usměrněného střídavého proudu. Lze dokázat, že:

Id = 2 Imax / p = 0,637 Imax

8.5 Fázory

Fázor je vektor, umístěný do počátku souřadnic, který má velikost, směr, orientaci

a fázi. Velikost fázoru je rovna amplitudě vlny a fáze je odchylka od rovnovážné

polohy v „čase 0“ tj. počáteční fáze.

128

Délka fázoru je rovna příslušné hodnotě veličiny (maximální, efektivní nebo střední hodnotě -

nejčastěji efektivní). Označení U, I, ... Úhlová rychlost otáčení fázoru je rovna úhlové frekvenci signálu w, směr otáčení fázoru je

proti směru pohybu hodinových ručiček. Fázorový diagram je zobrazení fázorů různých veličin stejné frekvence ve společném obrázku zachycujícím jejich vzájemné fázové vztahy. Při sestrojování fázorového diagramu

vycházíme ze schématu daného elektrického obvodu.

8.6 Obvody střídavého proudu

Střídavý proud a jeho vztah ke střídavému napětí je značně ovlivněn nejen frekvencí, ale také vlastnostmi elektrického obvodu. Střídavý obvod tvoří různé prvky, které jsou charakterizované svými parametry - rezistor s odporem R, cívka s indukčností L a kondenzátor

s kapacitou C. Zařazením jediného prvku do obvodu vzniká jednoduchý obvod střídavého proudu, je-li zařazeno prvků více, vzniká složený obvod střídavého proudu.

6.3.1 Obvod s rezistorem

Nejjednodušší střídavý obvod je tvořen rezistorem, u něhož uvažujeme jen jeho odpor R. Připojíme-li obvod ke zdroji střídavého napětí s okamžitou hodnotou u, prochází obvodem

střídavý proud s okamžitou hodnotou , kde je amplituda střídavého proudu. Pro střídavý proud v obvodu platí Ohmův zákon stejně jako pro proud

stejnosměrný. Odpor R rezistoru v obvodu střídavého proudu je stejný jako v obvodu stejnosměrného proudu a nazývá se také rezistance.

Na ideálním rezistoru v obvodu střídavého proudu nedochází k žádnému fázovému posunu. tzn. Proud i napětí jsou ve fázi.

6.3.2 Obvod s cívkou

Druhým nejjednodušším střídavým obvodem je obvod s cívkou, která je charakterizována

jen svou indukčností L - tj. jedná se o ideální cívku:

Ideální cívka, je cívka charakterizovaná pouze svojí indukčností. Její ohmický odpor

je zanedbatelný.

(Pokud bychom chtěli uvažovat i ohmický odpor vinutí cívky, je nutné na cívku nahlížet

jako na sériové spojení ideální cívky a rezistoru.)

Střídavý proud procházející vinutím cívky vytváří proměnné magnetické pole. Tím se v cívce indukuje napětí, které má podle Lenzova zákona opačnou polaritu než zdroj napětí. Následkem toho proud v obvodu nabývá největší hodnoty později než napětí (tzv. vlastní

indukce cívky). Proud se za napětím zpožďuje a vzniká fázový rozdíl.

129

Cívka ve střídavém obvodu Fázový posuv napětí a proudu

Je možné se přesvědčit, že křivka napětí je posunuta vzhledem ke křivce proudu

na časové ose o , což odpovídá fázovému rozdílu . Pro okamžitou hodnotu proudu

tedy platí .

Fázorový diagram posunu napětí vůči proudu

Připojíme-li cívku s uzavřeným feromagnetickým jádrem ke zdroji střídavého napětí

měnitelné frekvence, a měříme při různých frekvencích veličinu ; , kterou

nazýváme induktance. Je možné ukázat, že induktance cívky je přímo úměrná frekvenci a indukčnosti cívky. Cívka se chová ve střídavém obvodu jako odpor. Nedochází zde ale k přeměně energie střídavého proudu v teplo jako u rezistoru; v cívce jen vzniká a zaniká

magnetické pole. Z pokusů vyplývá vztah .

Induktance představuje jakýsi odpor cívky. Tato veličina se zavádí, aby bylo možné srovnat ohmický odpor vinutí cívky s „magnetickou částí cívky“. Veličina XL udává odpor „magnetické části cívky“.

V praxi se k dosažení velkých induktancí používají cívky zvané tlumivky. Tlumivky pro

střídavé proudy nízké frekvence mají mnoho závitů izolovaného drátu navinutého na ocelovém uzavřeném jádře. Tlumivky pro vysokofrekvenční střídavé proudy mají feritové jádro a v obvodech pro velmi vysoké frekvence postačuje několik volně navinutých závitů

drátu.

Skutečné cívky mají kromě indukčnosti také odpor. Je-li odpor R cívky malý, tj. , je možné ho zanedbat a cívka má přibližně vlastnosti ideální cívky. Není-li možné odpor cívky ve srovnání s její indukčností zanedbat, má obvod s cívkou vlastnosti složeného obvodu

s parametry RL v sérii.

6.3.3 Obvod s kondenzátorem

Opačné účinky než cívka má v obvodu střídavého proudu kondenzátor charakterizovaný kapacitou C. Po připojení ke zdroji střídavého napětí dochází k jeho periodickému nabíjení a vybíjení. Dielektrikem mezi deskami kondenzátoru vodivostní proud neprochází - mění se jen

intenzita elektrického pole a dielektrikum se střídavě polarizuje.

130

Nabíjecí proud kondenzátoru je největší v okamžiku, kdy je kondenzátor nenabitý,

tj. napětí mezi jeho deskami je nulové. Naopak v okamžiku, kdy je kondenzátor nabit

na napětí je proud v obvodu nulový.

Kondenzátor ve střídavém obvodu Fázový posuv proudu vůči napětí

Opět je možné se přesvědčit, že křivka napětí je v tomto případě časově posunuta

o za křivkou proudu. Napětí je opožděno za proudem a jejich fázový rozdíl je . Pro

okamžitou hodnotu proudu v obvodu s kondenzátorem platí .

Fázorový diagram posunu proudu vůči napětí

Provedeme-li pokus se zdrojem měnitelné frekvence, k němuž připojíme kondenzátor,

můžeme měřit veličinu ; , která se nazývá kapacitance. Její hodnota se s rostoucí frekvencí střídavého proudu zmenšuje. Také na kapacitě C kondenzátoru závisí

nepřímo úměrně, tedy .

Kapacitance představuje „odpor“ kondenzátoru. Tato veličina se zavádí, aby bylo možné

porovnat chování kondenzátoru v obvodu střídavého proudu s cívkou a rezistorem.

6.3.4 Složený obvod

Obvody střídavého proudu nejsou v praxi jednoduché, navíc u jejich prvků je nutno uvažovat více parametrů - odpor, indukčnost i kapacitu. Vlastnosti složeného obvodu se určují

graficky nebo výpočtem. Vzhledem k tomu, že uvažovaný obvod obsahuje obecně odpor, indukčnost i kapacitu označuje se jako obvod RLC.

8.7 Výkon střídavého proudu

8.7.1 Činný výkon

Při zapojení zařízení s pouze činným odporem (např. elektrické topné těleso) do obvodu střídavého proudu, jsou napětí s s proudem ve fázi – nedojde k fázovému posuvu.

Vynásobením okamžitých hodnot napětí a proudu v každém časovém okamžiku, dostaneme okamžité hodnoty výkonu střídavého proudu.

Pro výpočet výkonu střídavého proudu se uvažují vždy efektivní hodnoty napětí

i proudu.

131

P … činný výkon [ W ] (watt)

P = U . I . cos

(kde cos je tzv. účiník viz. dále)

Můžeme říci, že činný výkon je výkon spotřebičem skutečně spotřebovaný na vykonání dané

činnosti (práce) - je to ta část energie dodané ze zdroje spotřebiči, která se přemění v jinou

energii (podle druhu spotřebiče - tepelnou, světelnou, mechanickou, … , či jejich chtěné

i nechtěné kombinace).

8.7.2 Zdánlivý výkon

- je výkon pouze fiktivní (početní) - důležitý pro výpočty konstrukcí strojů a spotřebičů:

S … zdánlivý výkon [ VA] (volt ampér)

S = U . I

8.7.3 Jalový výkon

- je výkon, který se vrací zpět ke zdroji - ve spotřebiči tady žádnou práci nevykonává (vytváří elektromagnetické a elektrické pole):

Q … jalový výkon [ VAr] (volt ampér reaktivní)

Q = S . sin

Na ideální indukčnosti nebo ideální kapacitě se vyskytuje pouze jalový výkon. Naší

snahou však musí být, aby jalový výkon byl co možná nejmenší, protože nekoná žádnou

užitečnou práci a zatěžuje distribuční síť, kterou protéká větší proud a tím pádem se více

zahřívá, čímž dochází ke ztrátám. Z tohoto důvodu musíme jalový výkon kompenzovat

(viz. dále).

8.7.4 Trojúhelník výkonů

Všechny výše uvedené výkony lze graficky znázornit ve fázorovém diagramu, kdy

nám vznikne pravoúhlý trojúhelník, který vidíme na obrázku. Z něho jsou patrné vztahy mezi

jednotlivými výkony. Úhel, který svírá zdánlivý a činný výkon nazýváme (fí). Pokud nám

tedy známý některý z výkonů, můžeme jej vypočítat pomocí Pythagorovy věty nebo goniometrických funkcí.

Trojúhelník výkonů

132

P … činný výkon [ W ] P = S * cos φ [ W ]

Q … jalový výkon [ VAr] Q = S * sin φ [ Var ]

S … zdánlivý výkon [ VA] S = U * I [ VA , V , A ]

8.7.5 Účiník

Je bezrozměrná veličina, označovaná cos φ. Užívá se jen pro harmonické průběhy

střídavých proudů a napětí nebo pro jednotlivé harmonické složky obecných průběhů. Účiník je poměrem činného a zdánlivého elektrického výkonu v obvodu střídavého proudu a napětí. Vyjadřuje, jak velkou část zdánlivého výkonu přeměňuje obvod na činný výkon, tj. na součet

užitečného výkonu a ztrát. Účiník je kosinus vzájemného fázového posuvu mezi proudem a napětím elektrického

obvodu. Hodnota účiníku spotřebiče se pohybuje od nuly do jedné. (Platí pro obvykle používanou spotřebičovou soustavu. To znamená, že výkon spotřebiče je kladný a výkon zdroje je záporný.)

Při účiníku rovném jedné je celý výkon činný (fázový posuv je nulový). Při nulovém účiníku je celý výkon jalový, zátěž je buď čistě kapacitní (fázový posuv -90° = zpožďuje

se napětí za proudem) nebo čistě indukční (fázový posuv +90° = zpožďuje se proud za napětím). Hodnota účiníku menší než 1, tj. nenulový vzájemný fázový posun proudu a napětí, způsobuje nežádoucí zvýšené ztráty energie na přenosovém vedení obvodu, ve zdroji

i spotřebiči. Účiník vyjadřuje pro daný elektrický obvod také poměr činné a zdánlivé energie

i poměr ohmického odporu (rezistance) a impedance

8.7.6 Kompenzace jalového výkonu (účiníku)

(Zkr. PFC z angl. power factor correction) je proces, který posouvá fázi vstupního

proudu vzhledem k napětí. Upravuje se účiník cosφ, který je u zařízení bez PFC obvodu obvykle 0,75. PFC ho upravuje na 0,95 - 0,98 tak, aby nedošlo k překompenzování. PFC

může být aktivní, nebo pasívní Spotřebiče v obvodu se střídavým proudem mají většinou tzv. odporově induktivní

charakter. Z tohoto důvodu je třeba, aby kromě činného proudu Ič byla dodána také složka

jalová Ij. Spotřebič pak odebírá celkový proud I, který je oproti napětí U opožděn o úhel φ. Z toho plyne, že kromě činného výkonu P je vytvářen ještě jalový výkon Q, jež se skládají do

zdánlivého výkonu S, viz elektrický výkon. Vysoký podíl složky Q pak zbytečně přetěžuje elektrické zdroje. Z tohoto důvodu je

ho třeba snižovat. Jelikož se v obvodech vyskytuje převážně nežádoucí indukčnost (např.

všechny motory jsou vlastně indukčnosti), kompenzuje se dodatečně připojenými kondenzátory, protože jalový výkon indukčnosti je přesně opačný kapacitnímu jalovému

výkonu a tyto výkony se od sebe odčítají. Činný výkon spotřebiče je daný čistě jenom činným proudem, ale celkový výkon je

jalovým proudem navyšován, což vede k nadbytečnému zatěžování zdrojů a vyšším ztrátám

ve vedení. Velcí spotřebitelé elektřiny jsou povinni účiník sledovat a kompenzovat ho na požadovanou hodnotu nebo platit pokuty. Problém kompenzace účiníku se netýká malých

spotřebitelů, kteří platí pouze za činný výkon. Pasivní PFC je nejpoužívanější typ kompenzace účiníku. Je levnější. Bývá realizován

připojováním bloků kondenzátorů stykači k síti. Je to jednoduchý kapacitní filtr. Stupňovitě

133

kompenzuje fázový posun vyvolaný zátěží, tj. kompenzuje účiník na požadovanou hodnotu,

obvykle na 0,95. Aktivní PFC (dražší typ) Je realizovaný spínanými elektronickými silovými obvody.

Kompenzuje účiník (cos φ) na nastavenou hodnotu, která se může blížit 1. Ideální účiník, který je roven jedné (tedy cosinu úhlu 0, nulový fázový posun mezi napětím a proudem), představuje odporovou zátěž, která neodebírá žádnou složku kapacitního nebo indukčního

proudu (například na vytvoření elektromagnetického nebo elektrostatického pole). Tedy obvod neodebírá žádný jalový proud.

Příklady průmyslových kompenzačních rozváděčů

8.7.7 Sérioparalelní obvody

8.7.8 Rezonanční obvody

Říkáme, že střídavý elektrický obvod je v rezonanci, jestliže napětí U přiložené na obvod

a proud I protékající obvodem jsou ve fázi. Tedy při rezonanci je celková komplexní impedance obvodu reálná a účiník je roven jedné.

134

8.7.8.1 Sériová rezonance

RLC obvod na obrázku níže má komplexní impedanci Z=R+j(L-1/C)=R+jX. Obvod je

v rezonanci, jestliže X=0, tj. L=1/C a tedy . Jelikož je =2f, je

rezonanční frekvence dána vztahem .

Na dalším obrázku je znázorněna absolutní hodnota Z a jejích tří složek rezistance R,

induktance XL a reaktance XC jako funkce . Při =0 se rovnají induktance a reaktance

a Z=R. Při rezonanci má funkce Z=Z() minimum. Jelikož I=U/Z, je pak proud obvodem maximální.

Na následujícím obrázku je ještě zachycena admitance Y=1/Z jako funkce Y=Y(). Opět je

vidět, že proud obvodem je větší při menší rezistanci.

135

8.7.8.2 Paralelní rezonance

Mějme paralelní obvod s ideálními prvky R, L, C v jednotlivých větvích celková admitance

Y=G+j( C-1/ L)=G+jB, kde B=BC-BL, BC= C, BL=1/ L. Obvod je v rezonanci právě

tehdy, když B=0, tedy C=1/ L a . Stejně jako u sériového RLC obvodu je

rezonanční frekvence dána vztahem .

Dále je znázorněna absolutní hodnota Y a její tři složky G, BL a BC jako funkce . Jelikož

v rezonanci je admitance minimální a I=UY, má proud v rezonanci minimální hodnotu.

136

8.7.8.3 Paralelní rezonance v obvodu se dvěma větvemi

V obvodu výše je celková admitance Y rovna součtu admitancí v jednotlivých větvích.

Obvod je v rezonanci, když a tedy

. Řešením této rovnice získáme výsledný vztah

.

Rezonanční frekvence tohoto obvodu se od rezonanční frekvence paralelního spojení čistých

prvků R, L, C liší faktorem .

Jelikož frekvence je kladné reálné číslo, má obvod rezonanční frekvenci jen v případě, že výrazy RL

2-L/C a RC2-L/C jsou oba kladné nebo oba záporné. Jsou-li oba rovny nule, je

obvod v rezonanci při všech frekvencích.

137

8.7.8.4 Činitel jakosti Q

Činitel jakosti cívky, kondenzátoru a obvodu se definuje jako Q=2 E/ET, kde E je maximální akumulovaná energie na prvku a ET je energie přeměněná na prvku za jednu periodu.

V RL obvodu (obr. 8) a v RC obvodu je energie disipovaná za periodu dána součinem

průměrného výkonu na rezistoru a periody T=1/f, tedy .

V RL obvodu je maximální akumulovaná energie , tedy

.

V RC obvodu je , tedy .

V sériovém RLC obvodu v rezonanci se akumuluje konstantní množství energie. Když je

napětí na kondenzátoru maximální, je proud cívkou nulový a obecně . Z toho

je . Na dalším obrázku je proud v sériovém RLC obvodu jako funkce

frekvence f. Při f0= 0 /2 prochází obvodem maximální proud I0.

138

Jelikož průměrný výkon dodávaný do obvodu je P=I2R, při proudu je výkon roven

polovině maximálního výkonu při frekvenci f0 . Body odpovídající frekvencím f1 a f2 nazveme body polovičního výkonu. Rozdíl mezi těmito dvěma body, měřený v hertzích, se nazývá

šířka pásma BW.

Nyní můžeme činitel jakosti napsat jako podíl rezonanční frekvence a šířky pásma,

.

Rezonanční frekvence 0 je geometrickým průměrem 1 a 2 , a

.

V paralelním obvodu se třemi větvemi se v rezonanci akumuluje konstantní množství energie.

Je-li proud cívkou maximální, je napětí na kondenzátoru nulové a obecně .

Tedy .

Obvod se třemi větvemi

139

9 Trojfázový proud

Trojfázová soustava má tři stejně velká napětí sinusového průběhu, jejichž časové

průběhy jsou vzájemně posunuty o 120°, tj. o 1/3 periody. Taková trojfázová napětí vznikají v trojfázových generátorech. Generátor se skládá z nehybné části zvané stator a otočné části

zvané rotor. Uvnitř statoru jsou v drážkách umístěny cívky vinutí tří fází. Začátky vinutí fází se označují U1, V1,W1, konce vinutí U2,V2,W2. Cívky fází jsou na statoru vzájemně posunuty o 120°. V dutině statoru se otáčí rotor, který je dvojpólový. Cívka na rotoru je napájena

stejnosměrným proudem, takže se polarita pólů nemění (chová se téměř jako permanentní magnet).

Otáčí-lise rotor, otáčí se také jeho magnetické pole. Přitom protíná vodiče vinutí na statoru a indukuje v nich střídavé sinusové napětí. V trojfázovém vinutí se indukují tři samostatná napětí UU, UV, UW, vzájemně posunutá o 120°.

Z časového průběhu trojfázového vinutí na obrázku níže vidíme, že algebraický součet okamžitých hodnot se v kterémkoliv okamžiku rovná nule. Tato vlastnost trojfázové soustavy

umožňuje spojovat trojfázové vinutí generátorů do trojúhelníku nebo do hvězdy, což je výhodné z hlediska přenosu elektrické energie. Místo šesti vodičů stačí jen tři nebo čtyři vodiče. Přenos pomocí tří vodičů se uskutečňuje především při vysokém a velmi vysokém

napětí.

Časový průběh trojfázového napětí

Uspořádání trojfázového generátoru

140

9.1 Spojení trojfázového vinutí do hvězdy

Trojfázový generátor schématicky zobrazujeme jako tři cívky vzájemně pootočené

o 120°. Spojení fází do hvězdy se označuje Y. Vznikne tak sdružená trojfázová soustava. Při spojení vinutí do hvězdy spojujeme fáze (cívky) do jednoho bodu, tzv. uzlu, a to buď začátky,

nebo konce všech tří fází. Uzel se také nazývá nulový bod a vodič z něho vyvedený je střední vodič N.

Na obrázku 47 jsou do jednoho bodu zapojeny všechny tři konce fází. Začátky fází U1,

V1,W1 jsou vyvedeny na svorky generátoru, které jsou připojeny na tři vodiče L1, L2, L3, jimž říkáme fázové vodiče. Tak dostaneme trojfázovou sdruženou čtyřvodičovou soustavu.

Každá fáze generátoru má své fázové napětí, které naměříme mezi začátkem fáze

a uzlem nebo mezi fázovým a středním vodičem. Mimo to jsou zde sdružená napětí, která

naměříme mezi začátky jednotlivých fází nebo mezi fázovými vodiči. Fázové napětí se označuje Uf a sdružené napětí Us nebo U. Platí:

Uf = UU = UV = UW US = U = UUV = UVW = UWU

Spojení fází generátoru do hvězdy

Při spojení vinutí do hvězdy je sdružené napětí 3krát větší než napětí fázové. Při tomto

spojení fází zdroje napětí s vyvedeným středním vodičem je tedy v síti dvojí napětí. V České republice je normalizované napětí 3x230/400 V. Na fázové napětí

230 V připojujeme drobné spotřebiče, jako jsou žárovky, počítače, rychlovarné konvice, televizory apod. Na sdružené napětí 400 V připojujeme trojfázové spotřebiče, tj. elektromotory, indukční vařiče, akumulační kamna s větším příkonem apod. Trojfázové

spotřebiče ve většině případů zatěžují rozvodnou síť souměrně, tzn. že všemi fázovými vodiči protéká stejný proud.

9.2 Hlavní části rozvodné soustavy

Elektřinu vyrobenou v elektrárnách je třeba nějakým způsobem dopravit k odběrateli.

K tomuto slouží tzv. rozvodná soustava, která ovšem není uzavřena, ale je propojena s rozvodnými soustavami okolních zemí.

141

Elektrický rozvod tvoří elektrické sítě různého napětí, jejichž součástí jsou vedle vedení, tedy

vodičů a stožárů, i stanice. Ty se dělí na transformovny, ve kterých se napětí mění na jiné a rozvádí se elektrická energie při různém napětí, dále na spínací stanice, z nichž se rozvádí

elektrická energie při tomtéž napětí, a konečně měnírny pro usměrňování střídavého proudu na stejnosměrný, nejčastěji pro potřeby napájení stejnosměrných trakčních vozidel, tedy lokomotiv a tramvají. Podle velikosti a způsobu provozu mohou být stanice velké, střední

a malé, s obsluhou nebo bezobslužné. Podstatnou částí velkých transformačních, spínacích a usměrňovacích stanic jsou rozvodny, u menších stanic jsou to rozváděče, zatímco malé

rozvodnice jsou pro rozvod elektrického proudu obvykle u odběratelů. Rozvodny jsou, jak název napovídá, rozvodná zařízení pro přivádění a odvádění

elektrické energie téhož napětí a jsou technickými celky se samostatnou budovou nebo

prostorem. Jejich elektrickou část tvoří hlavně vodiče, izolátory, přístroje spínací, ochranné, řídicí a návěštní. Kryté rozvodny v budovách se používají zpravidla pro napětí do 35 kV,

venkovní jsou obvyklé pro velmi vysoké napětí. Velikost rozvodných stanic je určena především napětím rozvodných zařízení, počtem

odboček v rozvodných zařízeních, rozváděným výkonem, počtem a výkonem transformátorů

apod. Transformovny pro velké závody i ty, které slouží veřejnému rozvodu elektrické energie, se od sebe příliš neliší. Jejich součástí je ale vždy zařízení pro měření odebrané

energie, ve velkých transformovnách na straně vysokého napětí, v malých a středních transformovnách z vysokého na nízké napětí do 1000 kVA se může odebraná energie měřit na straně nízkého napětí.

9.3 Elektrické přístroje vn a vvn

Slouží k bezpečné odpojení silnoproudých zařízení od sítě. Na ochranu před účinky přetížení, na ochranu před zkratovými proudy, na ochranu před atmosférickým a provozním napětím.

VN přístroje: patří sem úsekové vypínače, odpojovače, propojovací, vypínače, stykače,

pojistky a bleskojistky apod..

Úsekový síťový vypínač: slouží k vypínání a zapínání úseků venkovních vedení. Ovládání může být ruční nebo dálkové.

Odpojovače: mohou spínat elektrické obvody bez zatížení.

Propojovací: jsou spínače s více než jednou polohou sepnutí. Mohou spínat nejméně dva

různé nezatížené elektrické obvody.

Spínače: jsou vypínače, kterými můžeme zapínat a vypínat obvody při jmenovitém zatížení. Podle prostředí, ve kterém pracují, se rozdělují na vnitřní a vnější a podle hasiva elektrického oblouku na olejové, máloolejové, tlakovzdušné, rýchlovypínače a jiné ...

Odpínače: vypínají jmenovitý proud, a to v určitém cyklu; nelze s nimi vypínat velké zkratové proudy, ale musí být schopny zapnout do zkratu dost velké proudy, např.. 25 až 40 kA.

Bleskojistky VN: slouží k omezování přepětí na přístupnou velikost.

142

VVN přístroje: zde se používají odpojovače, vypínače, bleskojistky, zkratovací a jiné ...

Odpojovače VVN: mají různou konstrukci a jsou ovládány ručními, motorovými nebo tlakovzdušného motory.

Bleskojistky VVN: omezují přepětí přicházející do rozvoden po vedeních. Montují se před rozvodnami nebo před transformátory.

Zkratovače VVN: jsou samočinné spínače, které se používají ke spínání nakrátko

v mimořádných provozních případech, čímž jistí ohrožené zařízení. Montují se místo vypínačů při předsunutých transformátorech apod.

Odpojovač 220kV

Vypínač 800kVA

Výsuvný máloolejový

vypínač

Vypínač 400kV

Rozvaděč VN

9.4 Ochrana vedení

Venkovní vedení zvn, vvn a vn se chrání: 1) před úderem blesku do vodičů

2) před zpětným přeskokem a před postupujícími vlnami přepětí 3) před účinky a následky přepětí

Ochrana vodičů před přímým úderem blesku:

Vodiče venkovního vedení vn, vvn a zvn se chrání před přímými údery blesku jedním nebo několika zemnícími lany. Hromosvody na stožárech vedení nebo na samostatných

stožárech v blízkosti vedení se pro ochranu venkovních vedení nepoužívají. Vedení bez zemnicích lan se před přímým zásahem blesku zvlášť nechrání. K ohraně rozvoden se však

vedení na dřevěných stožárech bez zemnícího lana opatří výběhovým lanem Ochrana před zpětným přeskokem a před postupujícími vlnami přepětí:

Ochrana před zpětným přeskokem u vedení se zemnícím lanem, je dobrým

uzemněním zemnících lan (stožárů) nebo zvýšenou izolací. Vyšší odpory uzemnění lze připustit jen při zvláště nepříznivých půdních podmínkách. Zvýšení izolace na vedení

se zemnícím lanem lze dosáhnout využitím izolace dřeva sloupu (konzol) nebo zvýšením izolace podpěrných bodů (izolátorů). Vedení bez zemnícího lana se před přepětím nemusí chránit.

Úsečníky na vedeních bez zemního lana je možno chránit uzemněním sousedních stožárů. Kabelový úsek ve venkovním vedení se musí chránit bleskojistkami, nebo omezovači přepětí

na obou koncích kabelu. Úseky kratší než 40 m se chrání jen na jednom konci. Uzemňovací svody přepětí se přitom musí vodivě spojit s kovovým pláštěm kabelu přímo nebo přes bleskojistku nn.

143

9.5 Elektrické rozvodné soustavy

V nízkonapěťové trojfázové soustavě se rozlišují rozvodné sítě a zařízení odběratelů.

Označení různých rozvodných soustav podle typu ochranného pospojování je mezinárodně sjednoceno. Rozlišujeme dnes soustavy TN-C, TNS, TN-C-S, TT a IT. Dále se budeme

zabývat prvními třemi zmiňovanými.

Jaký je rozdíl mezi soustavami TN-C, TNS a TN-C-S?

Tento rozdíl je dán typem použité soustavy. Tuto můžeme definovat následujícími písmennýmki kódy.

T - terre (franc.) – znamená zem a tedy bezprostřední uzemnění určitého bodu obvodu pracovního proudu,zpravidla uzlu (nulového bodu) I - insultation (angl.) – jedná se o izolaci a izolace všech pracovních vodičů vůči zemi nebo

spojení bodu sítě se zemí pres velkou impedanci N - nutre (franc.), neutral (angl.) – neutrální, slouží pro spojení s uzemňovacím bodem sítě

C - kombiné (franc.), combined (angl.) – označuje kombinaci středního vodiče s ochranným vodičem S - separé (franc.), separated (angl.) – označuje oddělení středního vodiče od ochranného

vodiče

1. Soustava TN-C je čtyřvodičová a vodič PEN je zároveň střední i ochranný. 2. Soustava TN-S je pětivodičová s odděleným středním a ochranným (zemnícím)

vodičem.

3. Soustava TN-C-S znamená, že dodavatelská soustava TN-C je u odběratele převedena na TN-S.

Soustava TN-C Soustava TN-S

Soustava TN-C-S

144

9.6 Přenos elektrické energie střídavým proudem

Přenos elektrické energie se uskutečňuje prostřednictvím tzv. přenosové soustavy.

Elektrická přenosová soustava je systém zařízení, která zajišťují přenos elektrické energie od výrobců k odběratelům, od elektráren až k jednotlivým uživatelům, domácnostem. Rozvod

do domácností se nazývá distribuce elektrické energie. Přenosová soustava tvoří páteř přenosu elektrické energie a zajišťuje přenosy na velké vzdálenosti a ve velkých objemech. Alternátory v elektrárnách obvykle pracují s napětím několika tisíců voltů. Při výkonech

stovek MW pak z alternátoru teče proud v řádu desítek tisíc ampérů. Vedení pro takové proudy musí však mít extrémně velké průřezy vodičů a musí být schopno mechanicky

odolávat působení značných magnetických sil. Pro přenos na velké vzdálenosti je výhodnější použít vyšší napětí, kdy pro přenesení stejného výkonu postačí úměrně menší proud. Kromě omezení ztrát je dálkové vedení nesrovnatelně jednodušší i levnější. Napětí alternátorů

se zvyšuje pomocí transformátorů, umístěných zpravidla přímo v areálu elektrárny, na vyšší přenosové napětí. Za přenosová napětí se obvykle považují hodnoty nad 110 kV a ve světě

jsou provozována i vedení s napětím nad 1 MV. Na výstupu z přenosové soustavy jsou zařazeny snižující transformátory, dodávající elektřinu do distribuční sítě, na napětích např. 22 kV. Přenosovou soustavu tvoří především soustava dlouhých nadzemních vedení velmi

vysokého napětí. Cílem řízení sítě je udržení konstantních standardních parametrů dodávané energie (především dodržení frekvence, což je v Evropě 50 Hz, a napětí) a samozřejmě

nepřerušená dodávka energie ke spotřebiteli. Elektrická energie je výjimečná tím, že je v celé síti nutné zajistit rovnováhu mezi její okamžitou výrobou a spotřebou. Obvykle dálková napájecí vedení používají třífázový proud. Vysokonapěťové systémy stejnosměrného proudu

jsou užité pro přenos na dlouhé vzdálenosti nebo některé podmořské kabely. Síť v České republice tvoří vedení vvn 400 kV, 220 kV, vybraná vedení 110 kV

a třicet transformačních stanic. Mezinárodně je síť šestnácti vedeními propojena se sítěmi dalších členů UCTE (evropského sdružení provozovatelů přenosových soustav).

Typy napětí:

Malé napětí mn do 50 V

Nízké napětí nn 50 V až 1000 V

Vysoké napětí vn 1000 V až 52 kV

Velmi vysoké napětí vvn 52 kV až 300 kV

Zvláště vysoké napětí zvn 300 kV až 800 kV

Ultra vysoké napětí uvn více než 800 kV

145

Páteřní přenosová síť 220 kV a 400 kV

9.7 Výkon a práce trojfázové soustavy

Výkon spotřebiče připojeného na trojfázový proud lze vypočítat z výkonů jednotlivých

fází. Každá ze tří fází spotřebiče má v zapojení do hvězdy i do trojúhelníku fázové napětí UF a fázový proud IF.

Zdánlivý výkon jedné fáze je SF = UF ∙ IF. Při symetrickém zatížení je tedy celkový

zdánlivý výkon

S = 3∙ UF ∙ IF.

Pomocí vztahu P = U ∙ I ∙ cos φ činný výkon trojfázové soustavy:

P =3∙ U ∙ I ∙ cos φ

a při Q = S ∙ sin φ jalový výkon pro trojfázový proud

Q = 3 ∙ U ∙ I ∙ sin φ.

Výkony v trojfázové soustavě se počítají podle stejných vzorců jak při zapojení

do hvězdy i při zapojení do trojúhelníku.

Zjednodušeně lze říci, že výkon v trojfázové soustavě je dán součtem výkonů v jednotlivých fázích.

P = PU + PV + PW

146

9.8 Trojfázové transformátory

Trojfázové napětí lze transformovat třemi jednofázovými transformátory nebo jedním

trojfázovým transformátorem. Na následujícím obrázku je znázorněn vznik trojfázového transformátoru. Na levém obrázku jsou tři jednofázové transformátory. Primární i sekundární vinutí je umístěno na jedné cívce. Přiložíme-li všechny transformátory k sobě částí

magnetického obvodu bez cívky, můžeme tyto části magnetických obvodů sloučit v jeden celek, což je znázorněno na obrázku uprostřed. Protože jsou jednotlivá vinutí napájena

z třífázové sítě, jsou i magnetické toky posunuty navzájem o 1200 a jejich součet je roven nule. Vzhledem k tomu, že touto částí magnetického obvodu vlastně neprochází žádný magnetický tok, je zbytečná.

Protože takto vytvořený transformátor

má složitý tvar magnetického obvodu a jeho

výroba by byla příliš komplikovaná, používá se jednoduché a funkčně shodné provedení

trojfázového transformátoru zobrazené na obrázku vpravo od textu. Trojfázový transformátor přináší proti třen

jednofázovým transformátorům značnou úsporu materiálu magnetického obvodu.

9.8.1 Zapojení trojfázových vinutí

Primární vinutí může být zapojeno do hvězdy nebo do trojúhelníku. Sekundární vinutí se zapojuje do hvězdy, trojúhelníku a do lomené hvězdy. Při zapojení do lomené hvězdy

je sekundární vinutí rozděleno do dvou částí – každá část je z důvodu rovnoměrnějšího zatížení navinuta na jiné fázi primárního vinutí.

147

Schéma zapojení Název

zapojení

Označení

v textu

Vinutí

transformátoru

hvězda

Y primární

y sekundární

trojúhelník

D primární

d sekundární

lomená hvězda z sekundární

9.8.2 Hodinový úhel transformátoru

Základní zapojení vinutí trojfázových transformátorů jsou zapojení do hvězdy (Y, y),

do trojúhelníku (D, d) a do lomené hvězdy (z). Velká písmena (D, Y) znamenají stranu vyššího napětí a malá písmena (d, y, z) stranu nižšího napětí. Zapojení do lomené hvězdy se

používá jen na sekundární straně nízkého napětí. Hodinový úhel udává fázový posuv mezi vektory stejné fáze primárního a sekundárního napětí. Udává se v hodinách, přičemž jedna hodina znamená posuv 300. Hodinový úhel vyjadřuje číslice uvedená za označením zapojení

primárního a sekundárního vinutí. Pro správné určení hodinového úhlu daného zapojení vinutí trojfázového transformátoru

musíme při kreslení schématu dodržovat tato pravidla:

obě vinutí kreslíme tak, jako by byla v rovině

poloha svorek odpovídá jejich skutečnému umístění na transformátoru

předpokládáme, že na jádře jsou obě vinutí vinuta stejným směrem – kladný smysl napětí

je od vinutí ke svorkám – viz šipky

dole kreslíme vinutí na vyšší napětí, nahoře kreslíme vinutí na nižší napětí

148

Příklady zapojení vinutí:

Yy0: hvězda – hvězda, 0 hod. Yy6: hvězda – hvězda nesouhlasně, 6 hod.

Yd1: hvězda – trojúhelník, 1 hod.

Hodinový úhel zapojení určíme tak, že nejdříve nakreslíme vektorový diagram pro vinutí

zapojené do hvězdy. Pro vinutí zapojené do trojúhelníku nakreslíme vektorový diagram, u kterého vektory napětí tvoří uzavřený trojúhelník, přičemž šipky představují začátky vinutí

jednotlivých fází. Potom přeneseme oba diagramy na sebe tak, aby se střed hvězdy nacházel v těžišti trojúhelníku. Hodinový úhel získáme spojením uzlu hvězdy s vrcholem příslušné fáze v trojúhelníku – viz obrázek.

Yd5: hvězda – trojúhelník nesouhlasně, 5 hod.

Yz1: hvězda – lomená hvězda, 1 hod.

U tohoto zapojení je vinutí každé sekundární fáze rozděleno na dvě stejné cívky a každá cívka

je umístěna na různých sloupcích magnetického obvodu (na různé primární fázi). Obě cívky jsou zapojeny proti sobě. Z vektorového diagramu můžeme pro dané zapojení určit hodinový

149

úhel a velikost výsledného napětí. Výsledné napětí je dáno vektorovým součtem napětí

indukovaných v obou cívkách. Jeho absolutní hodnotu vypočítáme podle následujícího postupu, kde:

Uuz je celkové napětí příslušné fáze zapojené do lomené hvězdy

2

uU jsou napětí indukovaná v jedné polovině vinutí této fáze

030cos2

2 uuz

UU

23

2

3

22 uu

uz

UUU

2732,1 u

uz

UU

Výsledné napětí není tedy dvojnásobné. Chceme-li

dosáhnout stejně velkého napětí jako při zapojení do obyčejné hvězdy, musíme

napětí na polovině vinutí zvýšit v poměru:

155,13

2

2uU

V praxi to znamená, že vinutí jednotlivých fází

musí mít o 15,5% více závitů než při zapojení do obyčejné hvězdy.

Toto zapojení se používá jen u vinutí nízkého napětí distribučních transformátorů.

9.8.2.1 Porovnání používaných zapojení

Zapojení Yy

Je konstrukčně i technologicky jednoduché. Pro dané napětí je zapotřebí nejmenší

počet závitů, cívky vycházejí menší a vinutí je příznivě elektricky namáháno. Na straně nízkého napětí se vždy vyvede z uzlu další vodič, takže transformátor dává sdružené i fázové

napětí. Na straně vysokého napětí je uzel izolován. Jeho nevýhodou je požadavek na souměrné zatížení všech fází na straně nízkého napětí. Není-li tato podmínka splněna, dochází ke značnému zvýšení napětí nezatížených fází a snížení napětí zatížené fáze.

Zapojení Dy

V tomto případě primární vinutí zapojené do trojúhelníku omezuje vliv nesouměrného zatížení sekundárního vinutí. Používá se jen pro větší výkony (od 0,5 MVA), neboť

při zapojení do trojúhelníku potřebujeme více závitů vodiče s menším průřezem, což představuje více izolace a tím horší využití okna magnetického obvodu.

150

Zapojení Yz

Používá se tam, kde se předpokládá značné nesouměrné zatížení, neboť napětí v síti

se nemění ani při značné nesouměrnosti zátěže. Nevýhodou je větší spotřeba vodičů ve vinutí nízkého napětí.

V porovnání se zapojeními Yy a Dy je při nesouměrné zátěži na sekundární straně výhodnější a hospodárnější.

9.9 Točivé elektromagnetické pole

9.9.1 Princip vzniku točivého pole

Zapojíme-li tři cívky do hvězdy a uspořádáme je tak, že jsou vzájemně natočené o úhel

120°. Do středu soustavy umístíme magnetickou střelku. Soustava je znázorněna v horní části následujícího obrázku.

Přivedeme-li napětí na cívku L1 (obrázek vlevo), otočí se střelka k cívce L1. Přivedeme-li napětí na cívku L2 (obrázek uprostřed), otočí se střelka k cívce L2. Obdobně tomu bude i v případě cívky L3 a následně i cívky L1.

Budeme-li soustavu cívek napájet trojfázovým napětím (průběh je uveden ve spodní části obrázku), bude se magnetická střelka otáčet mezi cívkami. Poloha střelky na obrázku

vždy odpovídá maximální kladné hodnotě napětí příslušné fáze. Trojice cívek vytváří proměnlivé elektromagnetické pole. Toto pole se chová stejně

jako dvoupólové magnetické pole, které se během jedné periody otočí o jednu otáčku,

tj. o 360°, což je patrné z obrázku.

151

Toto otáčející se magnetické pole se nazývá točivé elektromagnetické pole.

Magnetická střelka se bude otáčet konstantními otáčkami, rychlost otáčení bude závislá na kmitočtu napájecího napětí.

Na následujícím obrázku tvoří soustavu dvojnásobný počet cívek, celkem 6. V každé fázi jsou zapojeny dvě cívky. Na obrázku jsou zapojeny sériově, mohou být zapojeny také paralelně. Důležité je, aby byly zapojeny tak, aby v nich vznikalo magnetické pole stejné

polarity. Použijeme-li magnetickou střelku upravenou podle obrázku, bude mít soustava následující funkci:

Bude-li maximální napětí ve fázi L1, otočí se střelka

svými póly k cívkám L1.1 a L1.2. Tato poloha je znázorněna na obrázku.

Bude-li maximální napětí ve fázi L2, otočí se střelka

svými póly o 600 k cívkám L2.1 a L2.2.

Bude-li maximální napětí ve fázi L3, otočí se střelka svými póly o dalších 600

k cívkám L3.1 a L3.2.

Bude-li maximální napětí ve

fázi L1, otočí se střelka o dalších 600, což od začátku

otáčení představuje úhel 1800.

Z uvedeného popisu vyplývá, že během jedné periody se střelka otočila o polovinu otáčky. Na jednu otáčku je zapotřebí dvou period.

Tato soustava cívek vytvořila rovněž proměnlivé elektromagnetické pole, které se chová

stejně jako čtyřpólové magnetické pole, které se během jedné periody otočí o polovinu otáčky, tj. o 180°.

Statory trojfázových strojů se obvykle vyrábějí ze statorových plechů. V jejich drážkách je umístěno vinutí. Na následujících obrázcích je zakresleno uspořádání cívek nejjednoduššího dvoupólového vinutí (obrázek nalevo) a čtyřpólového vinutí (obrázek napravo). V praxi lze

tento způsob vinutí použít pouze u malých motorů.

152

Na následujícím obrázku je naznačen vznik dvoupólového točivého magnetického

pole ve statoru trojfázového motoru, výsledný magnetický tok je označen šipkami a osa magnetického pole střelkou, která nahrazuje rotor motoru.

Vinutí je rovnoměrně umístěno v drážkách na vnitřním obvodu statoru. Obrázek ukazuje motor se třemi cívkami, které jsou vzájemně pootočeny o 120°. Směry proudů

v cívkách odpovídají průběhům napětí v horní části obrázku. Fáze L1 má černou barvu, L2 červenou a L3 modrou. Cívky fáze L1 jsou označeny U1 a U2, fáze L2 V1 a V2, fáze L3 W1 a W2. V cívkách je označen směr proudu.

153

Ze zakreslených poloh magnetického pole je zřejmé, že časový průběh napětí

v jednotlivých fázích ovlivňuje polohu elektromagnetického pole. Během jedné periody se elektromagnetické pole otočí jedenkrát. Jedná se tedy o dvoupólové vinutí.

Počet otáček točivého pole je nepřímo úměrný počtu pólů – pólových dvojic (pólových párů).

p

f60n

n počet otáček za 1 minutu

f frekvence napájecího napětí

p počet pólových dvojic (někdy se používá označení 2p, které má stejný význam)

V tabulce je přehled otáček vinutí s různým počtem pólů pro frekvenci 50 Hz:

počet pólů otáčky za minutu otáčky za sekundu

2 3 000 50

4 1 500 25

6 1 000 16 2/3

8 750 12 1/2

10 600 10

12 500 8 2/3

Prohodíme-li připojení dvou fázových vodičů, magnetické pole rotuje v opačném směru. Záměnou dvou libovolných fází se změní směr otáčení. Záměnou všech tří fází se směr točení nemění. Pro směr otáčení je důležité pořadí fází na cívkách (jeden směr L1 –

L2 – L3, L3 – L1 – L2, L2 – L3 – L1, opačný směr L1 – L3 – L2, L3 – L2 – L1, L2 – L1 – L3) a ne připojení určité fáze na konkrétní cívku.

154

Z předcházejícího textu je zřejmé, že točivé elektromagnetické pole vzniká, připojíme-li trojfázové kruhově uspořádané vinutí na trojfázové napětí. Na tomto principu pracují

trojfázové motory.

Točivé pole může také vzniknout opačným způsobem. Vytvoříme-li rotor

z permanentního magnetu a nebo z elektromagnetu napájeného stejnosměrným proudem, a budeme-li rotorem otáčet, bude se ve vinutí indukovat napětí. V případě popisovaných vinutí se bude jednat o trojfázové napětí. Vinutí též může být jednofázové, popř. vícefázové.

Na tomto principu pracují synchronní generátory – alternátory.

Elektrické stroje, které pracují s točivým magnetickým nebo elektromagnetickým

polem, se nazývají elektrické točivé stroje. Elektromotory k otáčení rotoru využívají točivého pole vytvářeného statorem. Otáčí-li se rotor stejnou rychlostí jako točivé pole statoru,

mluvíme o synchronních strojích (motorech). Jsou-li rychlosti otáčení pole a rotoru

různé, mluvíme o asynchronních strojích (motorech).

Otáčky točivého pole jsou určeny síťovým kmitočtem a počtem pólů trojfázového

vinutí. S rostoucím kmitočtem rostou a s počtem pólových dvojic klesají. Vypočteme je

ze vztahu:

p

f60n

155

9.10 Točivé stroje

9.10.1 Synchronní stroje

Úvod k synchronním strojům

Synchronní stroj je točivý střídavý stroj, u kterého se rotor otáčí stejnými otáčkami

jako elektromagnetické pole. U synchronního generátoru, který se nazývá alternátor, je indukované napětí přímo úměrné otáčkám. Rovněž kmitočet se úměrně mění s otáčkami.

Synchronní motor má otáčky rotoru, bez ohledu na zatížení, stejné jako elektromagnetické pole. Se synchronními generátory (alternátory) se v praxi setkáme nejčastěji např. u jízdního kola, kde slouží jako zdroj pro napájení osvětlení (obrázek vlevo), v automobilech,

kde alternátory vybavené usměrňovači slouží ke krytí spotřeby elektrické výzbroje a dobíjení akumulátoru (obrázek uprostřed). Synchronní motory (obrázek napravo) se běžně používají

v automatizační technice pro přesné pohony (zapisovače, časové spínače apod.).

V průmyslu se synchronní stroje používají jako generátory při výrobě elektrické

energie v elektrárnách. Jedná se o nejvýkonnější elektrické točivé stroje. Synchronní motory

od malých až po vysoké výkony se používají v pohonech vyžadujících přesné otáčky.

Podle účelu dělíme synchronní stroje na:

synchronní generátory – alternátory: používají se k výrobě elektrické energie

o turboalternátory – vysokootáčkové generátory poháněné parní nebo plynovou turbínou

o hydroalternátory – nízkootáčkové generátory poháněné vodní turbínou

synchronní motory – vysokootáčkové motory se nazývají turbomotory

synchronní kompenzátory – jedná se o synchronní motory pracující bez zatížení, při vhodně nastaveném budicím proudu dodávají do sítě jalový výkon kapacitního charakteru,

tím zlepšují účiník sítě, protože většina spotřebičů má obvykle induktivní charakter Každý synchronní stroj může pracovat jako motor nebo alternátor.

9.10.1.1 Synchronní generátor – alternátor

Elektrická energie se většinou vyrábí pomocí synchronních generátorů. V elektrárnách se

většinou používají stroje s vnitřními póly, protože stejnosměrný budicí proud přiváděný přes sběrné kroužky na rotor je podstatně menší, než vyráběné pracovní proudy odváděné ze

statoru.

156

9.10.1.2 Konstrukce alternátoru

Na rotoru je budicí vinutí napájené přes sběrací

kroužky stejnosměrným proudem. Protože se magnetické pole rotoru nemění, není nutné

řešit ztráty v železe (hysterezí a vířivými proudy) a rotor tak může být vyroben z plného materiálu a je většinou ocelový. Rotory pro

menší otáčky mají zvýrazněné póly a nazývají se rotory s vyniklými (vyjádřenými) póly nebo

též magnetická kola (viz obrázek vodní elektrárny napravo

nahoře). Představu o rozměrech rotoru nízkootáčkového mnohapólo-

vého alternátoru si můžeme udělat z obrázku nalevo. Rotory pro velké otáčky jsou většinou jen dvojpólové a jsou konstruovány jako rotory s hladkým povrchem (viz obrázek

napravo dole, na kterém je rotor vyjmut ze statoru). Generátor budi-

cího proudu ro-torového vinutí může být umís-

těn přímo na hřídeli rotoru. K tomuto účelu se používá trojfázový budicí alternátor, jehož proud je

usměrňován a přiváděn k vinutím rotoru vedením v jeho hřídeli. Jako zdroj budicího

proudu lze také použít stejnosměrný generátor – dynamo. Stejnosměrný budicí proud pro rotorové vinutí lze rovněž získat usměrněním

síťového střídavého proudu. Stator generátoru je sestaven ze statorových plechů, trojfázové vinutí je uloženo v drážkách.

Stator a rotor mají vždy stejný počet pólů. Popis vinutí je uveden v předcházející kapitole.

Princip činnosti a provozní vlastnosti

Rotor je poháněn hnacím strojem, v elektrárnách většinou parní nebo vodní turbínou. V budicím vinutí rotoru napájeném stejnosměrným proudem indukuje elektromagnetické pole

nehybné vzhledem k rotoru a rotující vzhledem ke statoru. Toto točivé elektromagnetické pole indukuje v trojfázovém statorovém vinutí tři střídavá napětí, která spolu vytvářejí trojfázové

napětí. Ze statoru je odváděn trojfázový proud vyráběný alternátorem. Průběh indukovaného napětí v závislosti na poloze rotoru vidíme na následujícím obrázku.

157

Kmitočet alternátoru je dán počtem pólů a otáčkami (graf vlevo). Velikost napětí závisí na budicím proudu a na otáčkách rotoru. Protože kmitočet sítě je pevně dán, jsou tím určeny

otáčky rotoru. Napětí se pak nastavuje velikostí budicího proudu. V oblasti nasycení jádra rotoru se charakteristika závislosti výstupního napětí na budicím proudu zplošťuje (graf napravo). I bez budicího proudu však produkuje alternátor napětí vlivem zbytkového

(remanentnímu) magnetismu rotoru.

Napětí vyráběné alternátorem stoupá s otáčkami a s budicím proudem. Kmitočet vyráběného napětí je dán otáčkami rotoru. Otáčky alternátoru vypočteme ze známého vztahu:

p

f60n

n počet otáček za 1 minutu

f frekvence napájecího napětí

158

p počet pólových dvojic

Je-li alternátor zatížen, protéká jeho statorovým vinutím proud. Tento proud způsobuje

vlastní indukcí úbytek napětí. Pomineme-li malý činný odpor vinutí, můžeme si zatížený alternátor představit jako generátor nezávislý na zatížení, ke kterému je sériově připojená

indukčnost.

9.10.1.3 Zatěžovací úhel alternátoru

Na obrázku vpravo je zobrazena poloha rotoru alternátoru při chodu naprázdno a při zatížení.

Mezi oběma polohami je tzv. zatěžovací úhel. Aby si generátor přifázovaný k síti s pevným kmitočtem udržel i při zatížení synchronní otáčky,

musí točivé pole předbíhat synchronní otáčky o zatěžovací úhel, který se zvětšuje úměrně

se zatížením.

9.10.1.4 Při fázování se používají dva způsoby:

přesné fázování (přesná synchronizace)

asynchronní fázování (samosynchronizace)

Při přesném fázování se používá již popsaný způsob. Alternátor musí dávat stejně velké napětí, jako je napětí v síti, nesmí být mezi oběma fázový posun a naopak kmitočet a sled fází

napětí alternátoru musí odpovídat napětí sítě. Při samosynchronizaci se nenabuzený alternátor roztočí na otáčky blízké synchronním,

zapne se na síť a okamžitě se přibudí. Altemátor se tím sám vtáhne do synchronismu.

V elektrárnách jsou generátory řízeny automatickým zařízením, které zaručuje synchronizaci se sítí. Alternátor odvádí do sítě tím více energie, čím výkonnější má pohon.

Aby si alternátor přifázovaný k síti s pevným kmitočtem udržel i při zatížení synchronní otáčky, musí točivé pole předbíhat synchronní otáčky o zatěžovací úhel, který se zvětšuje úměrně se zatížením.

Odběr činného výkonu z alternátoru roste při zvyšování mechanického hnacího výkonu.

9.10.1.5 Synchronní motor

Konstrukce.

Stator se skládá z nosného tělesa (krytu) motoru, svazku statorových plechů a statorového trojfázového vinutí potřebného k vytváření točivého pole. Konce statorového

vinutí jsou vyvedeny na svorkovnici. Stator synchronního motoru má stejnou konstrukci jako stator asynchronního motoru.

Kotva se skládá z železného jádra, buď masivního, nebo složeného ze svazku plechů a budicího vinutí, napájeného přes sběrné kroužky stejnosměrným proudem. Kotva působí jako elektromagnet, který má stejný počet pólů jako stator. U malých motorků se používají

kotvy z permanentních magnetů. Toto řešení se často používá také u motorů větších výkonů.

159

Na obrázcích vidíme různé synchronní motory od malého (vlevo) až po motory velkých

výkonů.

Na obrázku vpravo vidíme nábojový synchronní motor pro jízdní kola. Aby měl malé pracovní otáčky, má velký počet pólů. Protože je napájen z akumulátoru, probíhá přepínání

proudu do cívek jednotlivých fází elektronicky s pomocí magnetorezistorů reagujících na otáčení rotoru s permanentními magnety.

Princip činnosti

Při zapnutí má točivé pole okamžitě otáčky odpovídající počtu pólů a kmitočtu

napájecího napětí. Póly rotoru jsou přitahovány protipóly statoru a odpuzovány statorovými póly stejného druhu.

Rotor se vzhledem ke své setrvačné hmotě neroztočí okamžitě synchronně s točivým polem statoru. Musí se

do pracovních otáček roztočit jiným motorem a nebo

musí být vybaven rozběhovým systémem, např. rozběhovou klecí uloženou v rotoru. Teprve tehdy se

motor roztočí do otáček blízkých otáčkám točivého pole, rotor je vtažen do synchronních otáček a běží dál synchronně. Příklad rozběhové klece

čtyřpólového rotoru s permanentními magnety je na obrázku vpravo.

Má-li rotor motoru doplňkové vinutí nakrátko, může se synchronní motor rozbíhat jako asynchronní. Po rozběhu a zapnutí buzení

kotvy pak běží motor synchronně. Během asynchronního rozběhu musí být budicí vinutí

160

rotoru zkratováno přes odpor, aby se nenaindukovalo velké napětí, které by prorazilo izolaci

vinutí. Při provozu zabrání vinutí nakrátko při nárazovém kolísání zatížení prudkému kolísání otáček rotoru. Toto vinutí se proto nazývá tlumicí vinutí.

Vlastnosti

Po rozběhu běží motor synchronně s točivým polem statoru. Při rostoucím zatížení motoru narůstá úhel mezi póly rotoru a protipóly statoru. Póly rotoru tak zůstávají zpět o úhel

zátěže za póly točivého pole, nebo také za polohou při chodu motoru bez zatížení. Synchronní motory mají i při zatížení stejné otáčky jako točivé magnetické pole statoru.

Točivý moment je tím větší, čím větší je úhel zátěže. Uprostřed mezi dvěma sousedními póly (kladným a záporným) statoru působí na póly rotoru největší síla, kdy předbíhající pól statoru táhne a následující tlačí. U dvoupólového motoru je tedy optimální úhel zátěže 90°. Při dalším

nárůstu úhlu zátěže točivý moment opět klesá. Moment zvratu nastane v polovině úhlu mezi sousedními póly, tj. při úhlu zátěže 90°

u dvoupólového motoru. Synchronní motory většinou mají moment zvratu Mmax (maximální moment – viz momentová charakteristika) dvojnásobný než jmenovitý moment Mn. Při překročení momentu zvratu se přeruší spojení mezi točivým polem a kotvou. Kotva vypadne

ze synchronizmu a zastaví se. Synchronní motory jsou však méně citlivé na pokles napětí než motory asynchronní. Magnetická indukce točivého pole a točivý moment se zmenšují

proporcionálně s poklesem napětí. Na obrázku vlevo je grafické znázornění momentové charakteristiky, na obrázku vpravo závislost momentu motoru na úhlu zatížení pro jmenovité a poloviční napětí.

Výhody a nevýhody synchronních motorů

Pro konstantní otáčky jsou synchronní motory používány také jako malé střídavé motory. Tyto motory mají kotvu tvořenou permanentním magnetem, např. na principu stíněných pólů.

Jsou používány do elektrických hodin, programovaných časových spínačů, časových relé a jako pohon zapisovacích jednotek k měřicím přístrojům. Motory s permanentními magnety

jsou používány pro pohony řízené měniči kmitočtu.

Výhody synchronních motorů:

konstantní otáčky nezávislé na zatížení a změny napětí

nezatěžují síť induktivním jalovým výkonem, ale naopak mohou do sítě dodávat jalový

výkon kapacitního charakteru

161

mají větší účinnost než asynchronní motor – až 95%

Nevýhody synchronních motorů:

obtížné spouštění – je nutný rozběhový systém nebo roztočení jiným motorem

otáčky lze regulovat pouze změnou kmitočtu nebo změnou počtu pólů

pokud nemají na rotoru permanentní magnety, musí mít budič

jejich záběrný moment je malý

Spouštění synchronních motorů

motory s malým výkonem lze spouštět přímým připojením k síti

motory s velkým výkonem lze spouštět

o spouštěcí tlumivkou (zapojena do série s konci statorového vinutí, po ukončení

rozběhu se spínačem vyřadí) nebo spouštěcím autotransformátorem

o spojováním větví statorového vinutí

o měniči kmitočtu – synchronní motory s permanentními magnety

9.10.1.6 Asynchronní stroje

Úvod k asynchronním strojům

Asynchronní stroje jsou nejjednodušší, nejlevnější, nejspolehlivější a také nejpoužívanější elektrické stroje. Mohou se používat jako:

motory – nejběžnější využití pro pohon

pracovních strojů a zařízení

generátory – méně časté, využití v malých

vodních elektrárnách Každý motor může pracovat jako generátor

a naopak. Asynchronní generátor dodává proud jen tehdy, je-li připojen k síti a je roztočen zdrojem mechanické energie do nadsynchronních otáček. Bez

připojení k síti není schopen dodávat elektrickou energii, protože nemá žádné budicí vinutí nebo

permanentní magnet, které by v generátoru vytvořily magnetické pole. Asynchronní stroje dělíme podle konstrukce a uspořádání rotorového vinutí na:

stroje s kotvou nakrátko

o s klecí běžné konstrukce s vodiči z dobře vodivého materiálu

o hlubokodrážkové motory, s tzv. vírovou klecí složenou z vodičů uložených

v hlubokých a úzkých rotorových drážkách

o s dvojitou klecí – odporová klec pro rozběh a pracovní pro chod motoru

stroje s kotvou vinutou, tzv. kroužkové

162

9.10.1.6.1 Konstrukce asynchronního motoru

Hlavní části

Hlavní funkční části

tvoří stator a rotor. Mezi další konstrukční

části patří vnější plášť motoru s chladicími žebry, ložiskové štíty, víčka ložisek, ložiska,

ventilátor, kryt ventilátoru, svorkovnici, kryt svorkovnice,

upevňovací patky. Řez asynchronním motorem je na obrázku vpravo.

Stator

Stator asynchronních strojů (obrázek napravo) má stejnou konstrukci jako stator synchronních strojů. V drážkách statorových

plechů je uloženo pracovní vinutí. Synchronní a asynchronní stroje se odlišují v konstrukci rotoru a rotorových vinutí.

Na následujících obrázcích je znázorněn postup při vkládání vinutí do statoru. V horní řadě zleva vidíme prázdný stator, stator s izolací drážek, vkládání cívek do statoru a vložené vinutí. Ve

spodní řadě zleva je vidět vyvázané vinutí, spoje cívek na druhé straně vinutí, vyvázaná strana vinutí se spoji cívek a lakování

vinutí. Tento způsob se používá při opravách motorů.

163

Rotor motoru s kotvou

nakrátko

Je složený z plechů nalisovaných na

hřídeli motoru, v drážkách rotoru je umístěno klecové vinutí spojené na čelech rotoru

nakrátko – tyče, drážky vyplněné vodivým materiálem (hliníkem, mědí). Rotor s hliníkovou klecí vidíme na obrázku napravo.

Rotor motoru s kotvou vinutou

Je složený z plechů nalisovaných na hřídeli motoru, v drážkách rotoru je umístěno třífázové vinutí spojené do hvězdy, druhý

konec vinutí je připojen na kroužky, ze kterých je proud pomocí uhlíkových kartáčů

odváděn do rozběhových odporníků. Tato konstrukce se používá pro motory vyšších výkonů.

Rotor i stator jsou složeny z jednostranně

izolovaných elektrotechnických plechů.

Touto konstrukcí je prakticky zabráněno ztrátám vířivými proudy (jako u transformátorů).

Vznik točivého magnetického pole a princip funkce

Po připojení třífázového proudu do statorového vinutí se ve statoru vytvoří točivé

magnetické pole otáčející se synchronními otáčkami. Toto magnetické pole začne působit

na vodiče rotorového vinutí, ve kterých se začne indukovat napětí. Aby vinutím procházel proud, který vytvoří v rotoru

magnetické pole, musí být rotorové vinutí spojeno přímo nebo přes rezistory nakrátko.

Tím vznikne uzavřený rotorový obvod. V okamžiku připojení k síti, kdy se rotor ještě neotáčí, pracuje asynchronní motor jako transformátor nakrátko, indukované napětí a proud mají hodnoty odpovídající poměru počtu

závitů statorového a rotorového vinutí, kmitočet je roven hodnotě kmitočtu sítě. Motor v tomto okamžiku odebírá ze sítě velký proud, který je 5 až 7 krát vyšší než jmenovitý proud

motoru. Magnetické pole rotoru působí proti magnetickému poli statoru a rotor se začne otáčet ve směru točení magnetického pole statoru. Jakmile se rotor začne otáčet, indukované napětí i

proud začnou klesat, klesá i jejich kmitočet, jehož hodnota je přímo úměrná rozdílu otáček magnetického pole statoru a otáček rotoru (při kmitočtu 50 Hz a jedné otáčce rotoru

dvoupólového motoru je kmitočet indukovaného napětí 50 - 1 = 49 Hz, při 10 otáčkách 50 - 10 = 40 Hz atd.). Motor se postupně rozbíhá, klesá proud odebíraný ze sítě. Motor se může

164

rozběhnout až do tzv. asynchronních otáček, které jsou nižší než otáčky synchronní, tj. otáčky

elektromagnetického pole. Rozdíl se nazývá skluzové otáčky a z něho se vypočítá skluz:

s

s

n

nns

s skluz, pokud se udává v %, vynásobí se 100

ns synchronní otáčky (otáčky elektromagnetického pole)

n otáčky motoru

Pro výpočet otáček motoru platí vztah: )s1(p

f60n

Asynchronní motor nemůže běžet v synchronních otáčkách, protože jsou-li shodné

otáčky magnetického pole statoru s otáčkami rotoru, nemůže se v rotorovém vinutí indukovat napětí a proud, tím zanikne elektromagnetické pole rotoru a síla otáčející rotorem. Točivý moment je úměrný rozdílu otáček rotoru a pole statoru. Asynchronní motor potřebuje skluz

otáček k indukci proudu v rotoru. Skluz otáček asynchronních motorů bývá běžně 3% až 8% jmenovitých otáček.

Tento stav, kdy teoreticky je kmitočet roven nule, nastává u synchronních motorů. Ty však mají na rotoru stejnosměrné budicí vinutí nebo permanentní magnety, které umožňují jejich chod právě a pouze v synchronních otáčkách.

Porovnání funkce asynchronních a synchronních strojů

Vlastnost, funkce Asynchronní Synchronní

pracovní vinutí shodné – na statoru shodné – na statoru

rotorové vinutí kotva nakrátko nebo vinutá stejnosměrné budicí, permanentní magnety

napájení stator střídavé, rotor bez napá-jení

stator střídavé, rotor s budicím vinu-tím stejnosměrné, rotor s perma-nentním magnetem bez napájení

přídavná zařízení motory s kotvou nakrátko nevy-

žadují další zařízení, u motorů s kotvou vinutou jsou nutné

spouštěcí rezistory

není-li rotor osazen permanentními

magnety, je nutný budič nebo zdroj budícího napětí, zařízení pro rozběh

spouštění jednoduché dle konstrukce motoru od jednodu-chého (permanentní magnety) až po složité (stroje s budicím vinutím)

obsluha jednoduchá dle konstrukce motoru od jednoduché (permanentní magnety) až po nároč-nější (stroje s budicím vinutím)

stabilita otáček poměrně stabilní (dle odporu

rotorového obvodu)

stabilní, přesné dle kmitočtu sítě

regulace otáček změnou počtu pólů, změnou kmitočtu, změnou skluzu

změnou počtu pólů, změnou kmitočtu

regulace výkonu není změnou buzení

165

při přetížení klesnou otáčky, motor se ale

nezastaví

motor vypadne ze synchronních otá-

ček a zastaví se

pracovní otáčky asynchronní motor nemůže pra-covat v synchronních otáčkách, v rotoru se neindukuje napětí

synchronní, motor nemůže pracovat v jiných otáčkách než synchronních

záběrový moment malý malý

záběrový proud velký velký

zatěžování sítě ja-

lovým výkonem

značné nezatěžuje

citlivost na změnu

napájecího napětí

malá malá

výroba elektrické

energie

nemůže vyrábět bez připojení k síti, nevytvoří se magnetické pole

po nabuzení může vyrábět nezávisle elektrickou energii

připojení generá-

toru k síti

jednoduché, spustí se jako

motor a zdrojem mechanické energie se roztočí do nad-

synchronních otáček

je nutné přifázování k síti

9.10.1.7 Trojfázové asynchronní motory

Asynchronní motory jsou nejdůležitější trojfázové motory. Magnetické pole statoru indukuje v rotoru napětí a vzniklý proud pak vyvolá sílu otáčející rotorem. Tyto motory jsou také označovány jako indukční motory. Podle konstrukce rotoru se pak rozlišují různé typy

asynchronních motorů.

Motory s kotvou nakrátko

Stator a rotor

Jak již bylo uvedeno v předcházející kapitole, stator se skládá z nosného tělesa motoru, svazku statorových plechů (obrázek nahoře vlevo) a statorového vinutí. Konce statorového vinutí jsou vyvedeny na svorkovnici.

Rotor (kotva) je sestaven z rotorových plechů (horní obrázek vpravo) nasazených ve svazku na hřídeli a z vodičů v drážkách rotoru. Vodiče jsou tvořeny hliníkovými nebo

měděnými tyčemi a jsou na čelních stranách svazku rotorových plechů spojeny nakrátko

166

zkratovacími kroužky. Vodivé tyče spolu se zkratovacími kroužky mají podobu klece.

Pro tento druh vinutí se používá název klecový rotor (obrázek napravo).

Princip funkce asynchronního motoru s kotvou nakrátko

Klecový rotor lze považovat za nejjednodušší trojfázové vinutí. Při zapnutí motoru se chová jako zkratované sekundární vinutí transformátoru. Točivé pole statoru způsobuje

změny magnetického toku ve vodivých tyčích rotoru. Rychlost změn magnetického toku procházejícího tyčemi stojícího rotoru odpovídá kmitočtu točivého elektromagnetického pole. Napětí, které se v rotorových tyčích indukuje, vyvolá průtok elektrického proudu uzavřeným

obvodem klecového rotoru. Asynchronní motory jsou indukční motory. Proud v rotoru je vyvolán elektromagnetickou indukcí.

Podle Lenzova pravidla způsobí magnetické pole indukované proudem v rotoru točivý moment, který otáčí rotorem ve směru otáčení točivého pole statoru. Pokud by dosáhly otáčky rotoru otáček točivého pole statoru, nebude se napětí v rotorových tyčích indukovat a točivý

moment zanikne. Obnoví se tehdy, pokud budou otáčky rotoru a točivého pole zase rozdílné.

Kroutící moment a provozní vlastnosti motoru s kotvou nakrátko

Klecový rotor (kotva nakrátko) je tvořen vodiči kruhového prů-

řezu nebo vodiči jiných průřezů odpovídajících

tvaru drážek dvojité klece nebo hlubokých drážek svazku rotoro-

vých plechů. Chování klecového

rotoru lze vysvětlit na rotoru s vodiči kruhového průřezu. V okamžiku zapnutí motoru se

nehybný rotor chová převážně jako indukčnost. Činný odpor vodivé klece je velmi malý. Rozběhový proud proto může dosáhnout pěti až sedminásobku jmenovité hodnoty, podobně

jako zkratový proud transformátoru. Pro jeho velký fázový posun za magnetickým tokem je však točivý moment MA malý.

Můžeme říci, že vzdálenost mezi točivým polem a magnetickým polem indukované v rotoru je velká a přes silná magnetická pole je síla pohybující rotorem malá. Rotory s kruhovými vodiči mají přes velké rozběhové proudy jen malý rozběhový (záběrný) moment.

S rostoucími otáčkami klesá indukované napětí i proud v rotoru. Protože také klesá jalový

indukční odpor rotoru, zmenšuje se současně fázový posun mezi napětím a proudem

v rotoru. Vzdálenost mezi točivým polem a magnetickým polem rotoru se zmenšuje. I když jsou magnetická pole slabší, síla pohybující rotorem je větší. Kroutící moment v závislosti na otáčkách

roste až do hodnoty momentu zvratu MK, kdy další růst otáček způsobuje pokles

kmitočtu indukovaného napětí a tím indukčního toku v tyčích rotoru, což způsobí pokles momentu motoru. Protože

maximální moment MK je 2x až 2,5x vyšší

než moment jmenovitý, lze asynchronní

motor krátkodobě přetížit. Uvedené údaje jsou zřejmé z momentové charakteristiky.

167

Při jmenovitých otáčkách působí jmenovitý moment MN, který vyjadřuje jmenovité zatížení.

V nezatíženém stavu dosahuje motor téměř synchronních otáček ns. V oblasti jmenovitého momentu MN jsou změny skluzu úměrné změnám zatížení, neboť charakteristika je zde téměř

lineární. Při změnách zatížení jsou otáčky motoru poměrně stabilní. V sedle momentové charakteristiky je ještě důležitý sedlový moment MS, který má

nejmenší hodnotu momentu mezi rozběhem a maximální hodnotou momentu MK.

Rozdílným počtem drážek v rotoru a statoru, šikmým nebo stupňovitým

uspořádáním tyčových vodičů (obrázek dole) lze docílit stoupající charakteristiky bez sedla, jak je uvedeno v momentové

charakteristice na obrázku napravo.

Zvětšení rozběhového momentu při současném zmenšení rozběhového proudu

lze dosáhnout použitím materiálů s větším elektrickým odporem na tyčky klece rotoru, např. hliníkových slitin. Momentové

charakteristiky a průběhy proudů jsou na obrázku vpravo.

Při náběhu se tak zvětší činná část impedance rotoru a zmenší se tak fázový posun mezi magnetickým polem statoru a

proudem rotoru, takže i přes pokles rozběhového proudu stoupne jeho činná

složka.

Spouštění asynchronních motorů s kotvou nakrátko

Při spouštění odebírá asynchronní motor s kotvou nakrátko velký záběrový proud,

který je 5x až 7x větší než jmenovitý proud. Záběrový moment je malý, v rozmezí 0,5 až 1 násobku momentu jmenovitého.

Přímé připojení motoru k síti

Vzhledem ke značnému záběrovému proudu lze použít jen u motorů menších výkonů, ve spotřebitelských sítích do výkonu 3 kW. U větší výkonů by docházelo při rozběhu k poklesům

napětí vlivem přetížení sítě.

Spouštění pomocí spouštěcího autotransformátoru

Přepínáním odboček na vinutí se postupně zvyšuje napětí motoru. Toto řešení je vhodné pro motory do výkonu 15 kW. Je však nutné si uvědomit, že záběrový proud i moment motoru klesají s druhou mocninou převodu transformátoru. Je-li převod transformátoru 2 : 1, zmenší

se záběrový proud i moment 4x.

168

Rozběh motoru hvězda – trojúhelník

Podmínkou použití tohoto rozběhu je vinutí motoru konstruované na napětí 400V, u starších

motorů na 380V. Hodnotu zjistíme z údajů na štítku motoru, kde je uvedeno 400V nebo

380 V. Při rozběhu do hvězdy motor odebírá 3x menší proud než při chodu do trojúhelníku.

Jeho moment je však také 3x menší. Tento způsob spouštění lze použít jen u motorů, které se nerozbíhají pod plným zatížením. Poměr proudů si určíme podle následujících vztahů:

Proud při zapojení do hvězdy IY:

Z

UI

fY

3

UU s

f Dosadíme-li za Uf, získáme vztah: Z3

UI

sY

IY proud při zapojení do hvězdy

Uf fázové napětí

Us sdružené napětí

Z impedance vinutí jedné fáze

Proud při zapojení do trojúhelníku ID vypočítáme z proudu jedné fáze If:

Z

U3I3I

sfD

ID proud při zapojení do trojúhelníku

If proud jedné fáze při zapojení do trojúhelníku

Poměr proudů je: 3

1

Z

U3

Z3

U

I

I

s

s

D

Y z toho vyplývá, že:

3

II

DY

Rozběhová spojka

Motor se rozbíhá naprázdno, po dosažení stanovených otáček začíná zabírat odstředivá rozběhová

spojka, která začne přenášet pohyb na poháněné zařízení.

169

Motory s kotvou vinutou (kroužkovou)

Konstrukce motoru

Stator motoru s vinutou kotvou má stejnou konstrukci jako stator motoru s kotvou nakrátko. Na hřídeli rotoru je svazek rotorových plechů a sběrné kroužky. V drážkách

rotorového svazku plechu je uloženo vinutí rotoru. Je to patrné ze snímku historického motoru.

Vinutí rotoru má téměř vždy tři cívky (trojfázové vinutí), které je zapojeno většinou

do hvězdy, zřídka do trojúhelníku. Vývody vinutí jsou připojeny na tři sběrací kroužky. Připojení na sběrací kroužky je realizováno třemi přítlačnými uhlíkovými kontakty (kartáči).

Přes tyto uhlíkové kartáče se do rotorového obvodu zapojují rezistory (činné odpory), které slouží k rozběhu motoru, popřípadě k regulaci otáček.

Přívody rotoru se třemi cívkami jsou označeny K, L, M. U motorů velkých výkonů může být

rotor navinut jako dvoucívkový. Označení přívodů je pak K, L, Q.

170

Princip činnosti a provoz

Motor s vinutou kotvou s rotorovým vinutím propojeným ve svorkovnici nakrátko

pracuje na stejném principu jako motor s kotvou nakrátko. Při nakrátko zapojeném rotoru vyvolá napětí indukované v rotoru proud. Magnetické pole statoru a proud rotoru vyvolají otáčivý moment a roztočí rotor. Klidové napětí rotoru a klidový proud rotoru jsou udávány

na štítku motoru kvůli dimenzování rozběhových rezistorů. Vlastnosti motorů s vinutou kotvou jsou při zapojení kotvy nakrátko stejné jako vlastnosti

asynchronních motorů s kotvou nakrátko. Při provozu se zátěží a s rezistory zapojenými v obvodu kotvy stoupne skluz, protože ztráta na rezistorech musí být kryta větším indukčním výkonem. Je-li možno odpory stupňovitě nastavovat, je tak možno stupňovitě řídit rozběh

a otáčky motoru. Řízení otáček motoru s vinutou kotvou je možné při konstantním zatížení. U motorů

velkých výkonů je snižování otáček pomocí rezistorů v trvalém provozu nehospodárné pro velké tepelné ztráty.

Rozběh motoru s vinutou kotvou (rotorové spouštění)

Zařazením spouštěcích rezistorů do rotorového obvodu je možno výrazně omezit rozběhový proud a zvýšit záběrný moment až na maximální hodnotu odpovídající momentu

zvratu. Na následujícím schématu je čtyřstupňové řízení rozběhu motoru s vinutou kotvou:

171

1. stupeň

Sepnutím stykače KM1 se do statoru motoru přivede napětí. Motor se začne rozebíhat.

V rotorovém obvodu je zařazen maximální odpor sériovým spojením rezistoru R1, R2 a R3. 2. stupeň

Sepnutím stykače KM2 je vyřazen rezistor R1, v obvodu rotoru zůstávají rezistory R2 a R3. 3. stupeň

Sepnutím stykače KM3 jsou vyřazeny rezistory R2 a R1, v obvodu rotoru zůstává rezistor R3.

4. stupeň

Sepnutím stykače KM4 jsou

vyřazeny všechny rezistory R1, R2 a R3, rotorový obvod je stykačem KM4 spojen

nakrátko a motor běží jako asynchronní motor s kotvou

nakrátko. Momentová charakteristika pro čtyřstupňový rozběh je

uvedena na obrázku vpravo. Kvůli velkému podílu činné

složky proudu kotvy stoupá nejprve znatelně rozběhový moment. Momentová charakte-

ristika je plošší, moment zvratu je posunut do oblasti rozběhu.

V okamžiku spuštění jsou do rotorového obvodu zapojeny rezistory R1, R2 a R3. Motor se rozbíhá. Vyřazení rezistoru R1 je zapotřebí nastavit tak, aby proběhlo v okamžiku, kdy má momentová charakteristika při

zařazených rezistorech R2 a R3 maximální hodnotu. Obdobně musí být nastaveno

172

i vyřazování rezistorů R2 a R3. Po vyřazení všech rezistorů má motor charakteristiku

asynchronního motoru s kotvou nakrátko. Z momentové charakteristiky je zřejmé, že zvyšováním odporu rotorového obvodu se

vrchol momentové charakteristiky posouvá nalevo směrem k oblasti rozběhu. To má za následek větší kolísání otáček při změně zatížení. Zvyšováním odporu zvětšujeme kroutící moment motoru, ale přitom snižujeme stabilitu otáček.

Při nadměrném zvětšení odporu se vrchol momentové charakteristiky posune nalevo od svislé osy a moment při rozběhu bude malý. Při takto nastavených odporech rotorového

obvodu motor nemůže pracovat. Motory s vinutou kotvou mají velký rozběhový moment při malém rozběhovém proudu.

Mohou být spouštěny plně zatížené.

Je-li během rozběhu stupňovitě zmenšován rozběhový odpor, může se motor při správném nastavení vyřazování rezistorů měkce rozbíhat i s velkým zatížením. Jsou tak

odstraněny špičky rozběhového proudu. Některé motory velkých výkonů mohou být vybaveny zařízením pro nadzvednutí kartáčů, které po ukončení rozběhu zkratuje kroužky a nadzvedne kartáče.

Použití motorů s vinutou kotvou

Motory s vinutou kotvou se vyrábějí ve výkonech od 5

kW do 500 kW. Používají se pro pohon zařízení s těžkým rozběhem, jako jsou velké obráběcí stroje, drtiče kamene a další výkonné stroje, nebo se používají v zařízeních s rozběhem při

plném zatížení, jako jsou jeřáby, velké výtahy, kolejové elektrické vozy apod.

9.10.2 Řízení otáček asynchronních motorů

Pro otáčky asynchronního motoru platí vztah:

)s1(p

f60n

n otáčky motoru

f kmitočet napájecího napětí

s skluz motoru

Otáčky rotoru asynchronního motoru je proto možné řídit kmitočtem, změnou počtu pólů a skluzem.

Řízení otáček změnou skluzu

Řízení skluzu změnou odporu rotorového obvodu

Pro tento způsob je vhodný asynchronní motor s vinutou kotvou, u něhož místo

spouštěče použijeme reostat, který je navržen na trvalé zatížení. Při zařazeném reostatu v rotoru se momentová (otáčková) charakteristika stává měkkou a otáčky lze v určitém rozsahu

řídit. Tímto způsobem lze otáčky pouze zmenšovat. K nevýhodám patří i to, že při malém zatížení motoru (blízkém chodu naprázdno) nelze otáčky tímto způsobem měnit. Zařazením reostatu se řízení stává nehospodárným a výrazně se zhoršuje účinnost motoru. Otáčky při

tomto řízení nejsou stabilní, protože skluz se mění se změnou zatížení motoru. Změna je tím větší, čím je větší odpor rotorového obvodu.

173

Řízení skluzu změnou napájecího napětí

Obecně je možné řídit skluz i snižováním napájecího napětí (transformátorem). Moment motoru závisí na druhé mocnině napětí, a proto se momentová charakteristika sníží

a stane se měkčí. Při daném zatížení se skluz ustálí na vyšší hodnotě a otáčky klesnou. Řízení je nehospodárné, neboť klesá účinnost a je nutný transformátor.

U motorů malých výkonů ve ventilátorech se místo snižování napětí transformátorem používá přepínatelné vinutí. Místo snížení napětí se k základnímu vinutí připojí do série další vinutí, čímž se zvýší počet závitů a tím klesne napětí připadající na jeden závit. Motor běží

stejně, jako by byl připojen na menší napětí, čímž se zvýší jeho skluz a otáčky klesnou. Podmínkou je, že motor musí běžet zatížený, což je u ventilátorů zajištěno.

Řízení otáček změnou počtu pólů

Tento způsob změny otáček se používá pouze u motorů s kotvou nakrátko. Přepínáním jednotlivých skupin cívek statorového vinutí lze měnit otáčky pouze po skocích. Nejčastěji

se používá přepínání otáček v poměru 1 : 2. V tomto případě je ve statoru motoru uloženo přepínatelné vinutí. V případech, kdy je požadován jiný poměr otáček, se používají motory se dvěma samostatnými vinutími. Kombinací samostatných a přepínatelných vinutí lze

zkonstruovat tříotáčkový nebo čtyřotáčkový motor. Výhodou víceotáčkových motorů je snadná změna otáček přepnutím vinutí, nevýhodou nižší účinnost a větší velikost a vyšší cena.

Motor s oddělenými statorovými vinutími

Dvě oddělená statorová

vinutí s rozdílnými počty pólů umožňují dvoje otáčky, které mohou

být v libovolném celočíselném poměru, např. 3 : 4.

Vinutí pro nižší otáčky je

vyvedeno na svorky 1U, 1V a 1W, vinutí pro vyšší otáčky na svorky

2U, 2V a 2W. Točivý moment je při obojích otáčkách téměř stejný, výkony motoru jsou přibližně

v poměru otáček.

Motory s oddělenými vinutími mají zvýšené náklady na vinutí i na statorové plechy. Jsou proto používány pouze tehdy, je-li požadován jiný poměr otáček než 1 : 2. Na svorkovnici jsou zpravidla vyvedeny jen začátky vinutí, uzly vinutí jsou spojeny v motoru.

Motor s dělenými vinutími statoru – dvouotáčkový motor s poměrem otáček 1 : 2

Při děleném vinutí (Dahlanderovo zapojení) je každé vinutí statoru rozděleno odbočkou na dvě části. Přepínáním skupin (cívek) ze sériového zapojení na paralelní zapojení

je totiž původní počet pólů zmenšen na polovinu a tím se zdvojnásobí otáčky točivého pole statoru.

174

Nejpoužívanější zapojení přepínatelného vinutí je trojúhelník pro nízké a dvojitá hvězda

pro vysoké otáčky (D/YY). Pro nižší otáčky jsou obě části vinutí zapojeny sériově (na jedné části vinutí je napětí 200V), pro vyšší otáčky paralelně (napětí na jedné části vinutí je 230V).

Tím je dosažen dvojnásobný počet otáček při přibližně 1,5 násobném zvýšení výkonu.

Točivý moment zůstává v nízkých i vysokých otáčkách stejný. Proto se motory

s přepínatelným vinutím hodí pro pohony s konstantním točivým momentem, např. pro obráběcí stroje.

Zapojení vinutí pro nízké otáčky do hvězdy a vysoké do dvojité hvězdy se používá

zřídka, protože pro nízké otáčky při zapojení do hvězdy je na části vinutí napětí pouze 115V. Proto je značný rozdíl ve výkonu a točivém momentu pro nízké a vysoké otáčky.

Zaměníme-li začátek a konec jedné části vinutí (viz obrázek dole), změní se funkce motoru tak, že při zapojení do hvězdy nebo trojúhelníku poběží na vysoké otáčky a při zapojení do dvojité hvězdy na nízké otáčky. Protože by měl motor při vysokých otáčkám

menší výkon a tím i nízký točivý moment, tato zapojení se nepoužívají.

Motory s přepínatelným vinutím umožňují zdvojnásobení otáček zmenšením počtu pólů na

polovinu.

Svorkovnice motoru s přepínatelným vinutím má pro každý počet pólů 3 svorky, protože uzel vinutí bývá nejčastěji spojen ve statoru. Motor proto může být používán jen na jediné síťové napětí. Svorky pro nízké otáčky jsou označeny 1U, 1V, 1W a pro vysoké otáčky 2U, 2V, 2W.

175

Svorkovnice dvouotáčkových motorů:

9.10.2.1 Řízení otáček změnou kmitočtu

V tomto případě napájíme motor z měniče kmitočtu, který může být realizován jako

rotační měnič napětí se stabilním kmitočtem (dříve nejpoužívanější řešení), nebo jako moderní elektronický měnič určení k řízení otáček (viz obrázek). Při řízení otáček změnou kmitočtu je nutné řídit také napětí, neboť magnetický tok motoru musí být konstantní.

Důvodem je přímá závislost reaktance vinutí motoru na kmitočtu a s tím související změny proudu.

Platí proto:

konstf

U i

magnetický tok

Ui napětí

f kmitočet

Tato podmínka musí platit pro každý měnič kmitočtu, neboť jen tak je motor dobře magneticky využit. Na následujících obrázcích je závislost

momentu na skluzu pro různé kmitočty a závislost momentu na otáčkách pro různé kmitočty.

V současné době se pro řízení otáček nejčastěji používá kmitočet v rozsahu 10 až 100

Hz. Indukční motor řízený polovodičovým měničem kmitočtu je dnes moderním a

perspektivním druhem pohonu. Blokové schéma je na následujícím obrázku. Přivedené třífázové napětí se nejprve usměrní a vyfiltruje. Řídící blok pak vysílá impulzy do měniče

tvořeného rychlými výkonovými tranzistory, které do jednotlivých fází motoru vysílají kladné a záporné impulzy nastaveného kmitočtu, jejichž šířka odpovídá úrovni napětí.

176

9.10.2.2 Rotační měnič kmitočtu

Používá se pro napájení obvodů, které pro svoji funkci vyžadují jiný kmitočet než síťový (středofrekvenční indukční pece, napájení selsynů, elektrická trakce s kmitočtem 16

2/3 Hz apod.). Rotační měnič se skládá z asynchronního motoru a synchronního generátoru (alternátoru), popř. z derivačního dynama jako budiče alternátoru.

Výsledná kmitočet je dán poměrem počtu pólů asynchronního motoru a alternátoru. Např. pro kmitočet 200 Hz je zapotřebí dvoupólový motor a osmipólový alternátor. Pro kmitočet 16 2/3 Hz se použije šestipólový motor a dvoupólový alternátor. Motor i generátor mohou v případě

menších výkonů tvořit jeden celek (obrázek vlevo), nebo mohou být použity jako dva samostatné stroje, jejichž hřídele jsou spojeny spojkou (obrázek vpravo). V případě potřeby je

soustrojí motoru a generátoru doplněno budičem.

Provoz trojfázového motoru na jednofázové střídavé napětí

Trojfázové motory vytvářejí točivé pole při připojení na trojfázovou síť pomocí tří

střídavých fázových napětí posunutých vzájemně o 120°. Ve vinutích statoru tak vznikají magnetické toky stejných indukcí, výsledné pole je tedy kruhové.

177

Při provozu na jednofázové

střídavé napětí je proud přivedený přes kondenzátor oproti síťovému

proudu fázově posunut. Při tomto posunutí opět vznikne točivé magnetické pole.

Vlivem kondenzátoru jsou proudy v jednotlivých vinutích různě

velké. Tím se mění indukční tok periodicky s každou periodou střídavého napětí.

Točivé pole vytvořené pomocí kondenzátoru má eliptický tvar.

Při trojfázovém provozu lze směr otáčení motoru změnit přehozením dvou fází, při jednofázovém provozu lze směr otáčení změnit změnou připojení kondenzátoru. Trojfázové motory mohou být provozovány na jednofázové střídavé napětí, jsou-li pomocí

zapojení do trojúhelníku nebo do hvězdy přizpůsobena napětí ve vinutích na napětí sítě.

Při eliptickém točivém poli je oproti kruhovému poli při trojfázovém provozu menší výkon motoru, a to maximálně 70% jmenovitého výkonu. Rozběhový moment se zmenší při tomto jednofázovém provozu většinou na polovinu.

Požadovaná kapacita kondenzátoru je závislá na síťovém napětí. Při napětí 230V a síťovém kmitočtu 50 Hz je potřebná kapacita 70μF na 1kW výkonu motoru.

178

9.11 Trojfázové derivační komutátorové motory

9.11.1 Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do statoru

Pro tento motor se též používá název Winterův –

Eichbergův Motor má na statoru

střídavé třífázové vinutí

podobně jako asynchronní motor.

Na komutátoru má pro každou pólovou dvojici 3 nebo 6 řad kartáčů. Kartáče

jsou připojeny na jezdce sekundárního vinutí

řiditelného třífázového transformátoru. Středy vinutí jednotlivých fází jsou spojeny

do hvězdy. Pohybem jezdců se mění velikost i směr napětí

přiváděného na kotvu. Trojfázový proud

vytvoří ve statoru točivé

magnetické pole se synchronními otáčkami.

Jsou-li jezdce umístěny ve středu vinutí, je napětí přiváděné z transformátoru

nulové a motor pracuje jako asynchronní s kotvou

nakrátko. Posunutím jezdců nahoru pů-sobí napětí transformátoru

proti napětí kotvy, zvětšuje se skluz a otáčky klesají.

Posunutím jezdců dolů působí napětí transformátoru ve stejném směru jako napětí

kotvy, skluz se zmenší, dostává se do záporných

hodnot a otáčky motoru se zvyšují.

Regulace je

hospodárná, její rozsah je až 1 : 10.

Motor má tvrdou derivační charakteristiku. Nevýhodou je vysoká cena motoru.

V současnosti jsou tyto složité motory nahrazeny jinými druhy pohonů, např. asynchronními pohony s měniči kmitočtu.

179

9.11.2 Trojfázový derivační komutátorový motor napájený do rotoru

Tento motor se rovněž nazývá

Schrageho. Motor má

na rotoru třífázové

vinutí vyvedené ke kroužkům, toto vinutí

je napájeno ze sítě. V drážkách rotoru je dále umístěno stejno-

směrné vinutí, které je připojené na komutátor.

Statorové vinutí je troj-fázové a je připojeno ke kartáčům na komutá-

toru. Pro každou dvojici pólů jsou

na komutátoru tři dvojice kartáčů označené na obrázku A a B.

Kartáče A i B se pomocí převodu navzájem proti sobě natáčejí o stejný úhel. Jsou-li kartáče A i B na jedné lamele, je vinutí statoru spojeno nakrátko a motor pracuje jako

asynchronní. Proti běžným asynchronním motorům je rozdíl pouze v opačném uložení vinutí – na rotoru je pracovní a na statoru rotorové.

Vzájemným posouváním kartáčů dochází k tomu, že napětí statoru působí na napětí

kotvy. Působí-li proti sobě, zvyšuje se skluz a otáčky klesají, působí-li ve stejném smyslu, skluz klesá až do záporných hodnot a otáčky se zvyšují.

180

Nevýhodou motoru je jeho složitost vyplývající z uložení rotorových vinutí a složitý

mechanismus natáčení kartáčů. Jeho výhodou je skutečnost, že nepotřebuje řiditelný transformátor a má velký rozsah regulace otáček. Trojfázové derivační komutátorové motory jsou v současné době nahrazovány stejnosměrnými motory napájenými z řízených

stejnosměrných usměrňovačů nebo asynchronními pohony s měniči kmitočtu.

10 Elektropneumatika, elektrohydraulika

V elektropneumatice tvoří výkonovou část obvod s pneupohony a jejich rozvaděči. Jedná se vždy o nepřímé ovládání. Řídící signály jsou elektrické. Stejné je to s elektrohydraulikou,

kde výkonovou část tvoří hydraulický obvod, který je opět řízen elektrickými signály.

10.1 Prvky elektropneumatických obvodů

10.1.1 Tlačítkové spínače

Tlačítka jsou v činné poloze po určitou, obvykle velmi krátkou dobu trvání impulsu“ stisk tlačítka nebo průchod proudu“, návrat do výchozí polohy je zpravidla samočinný realizovaný pružinou. K transformaci stavu (spínací, rozpínací, přepínací) dochází změnou nastavení

kontaktu.

181

10.1.2 Koncové spínače

Tyto prvky jsou řízené prostřednictvím systému narážek, vaček apod. A poskytují nám

informaci o dosažení mezní polohy nastavení zařízení. Rozdíl dráhy mezi „sepnutím“ a „rozepnutím“ koncového spínače se označuje jako přepínací diference. Koncové spínače

se ve schématech symbolicky označují podobně jako u pneumatických mechanismů, přiřazením spínače k dosažené mezní poloze. Jazýčkové kontakty jsou zataveny ve skleněném válci, ve kterém je přítomné vakuum,

vybuzením cívky kontakty zmagnetizují a dojde tak k vlastnímu sepnutí. Tyto kontakty se používají pro svoji vysokou životnost.

10.1.3 Bezdotykové (bezkontaktní) snímače

Poměrně častost z technologických důvodů namísto koncových spínačů zařazují bezdotykové snímače. Rozeznáváme tyto základní typy:

indukční

kapacitní

optické

ultrazvukové

Indukční snímače – reagují na blízkost kovových předmětů.

Kapacitní snímače – reagují na látky s jinou dielektrickou konstantou, než má vzduch, mají velký význam zejména při použití pro kapaliny.

182

BN

BU

BK

Optické snímače – reagují pouze na odražené světlo vyvolané světelným zdrojem (laser)

Ultrazvukové snímače – reagují na zpoždění ozvěny ultrazvukové vlny od překážky (echo) a

tím určují jejich vzdálenost.

Výše uvedené snímače mají dva inverzní logické výstupy, které slouží k přímému „spojení“ nebo eventuálně „rozpojení“ daného elektropneumatického zapojení nebo relé.

10.1.4 Elektromagnetické relé

Kontakty relé bývají uspořádány stejně jako u tlačítkových spínačů, vlastní řízení se však děje prostřednictvím elektromagnetu. Sepnutí kontaktů je realizováno vybuzením cívky, které

způsobí přitažení kotvy. Relé se ve schématech značí písmenem K a číslem, podobně se označují i jeho příslušné kontakty.

Vlastnosti elektromagnetického relé:

mohou posloužit jako dálkové ovládané tlačítkové spínače

malé spínané výkony, tím je dána jeho velikost a konstrukce (výkon v rozsahu mW do W)

doba přítahu relé, tj. doba mezi vybuzením cívky a přepnutím kontaktů leží mezi 1 ms a

10 ms

teplotní nezávislost-prvek je schopen pracovat ve značně velkém rozsahu teplot a to

v rozmezí -40 až +80°C

opotřebení styčných ploch

citlivost na znečištění

183

Pro sepnutí relé postačuje malá energie k udržení v činném stavu, vyžaduje zanedbatelný

výkon, jeho kontakty však umožní spínání mnohem větších (až 100x) výkonů. Nejčastější aplikace relé v elektropneumatických mechanismech je tam, kde budící signál nevyhovuje

požadavkům (výkonem nebo napětím) cívky rozvaděče Y. V mezním případě pak lze očekávat výrazné zatížení a následné opotřebení funkčních kontaktů, např. tlačítka. Prostřednictvím relé je realizována změna stavu příslušných kontaktů. Konkrétně se jedná o

činnosti: spínání, přenášení, zesílení a rozvádění – aplikace příslušných kontaktů relé v proudových větvích.

Elektromagnetické relé je příkladem využití elektromagnetu v zařízení, které je důležitým funkčním prvkem v soustavách automatizace.

Hlavní parametry:

napětí

druh proudu

doby přítahu (odpadu)

počet zdvihů

odpor vinutí. Relé lze použít hlavně tam, kde zdroj signálu (tlačítko) neodpovídá spínavým výkonem

nárokům cívky Y rozvaděče (proudové zatížení kontaktů tlačítka by bylo příliš velké) nebo pracuje s jiným napětím. Pak i tam, kde je důležité blokování a současné spínaní více

kontaktů.

184

Popis činnosti: V blízkosti elektromagnetu tvořeného cívkou a jádrem z magneticky měkké oceli je

pohyblivá kotva, rovněž z magneticky měkké oceli. Kotva se dotýká pružných kontaktů, knimž je připojen obvod ovládaného zařízení. Jakmile elektromagnetem začne procházet ovládací proud, jádro cívky se zmagnetuje a přitáhne kotvu relé, čímž se sepnou pružné

kontakty. Tím je ovládané zařízení uvedeno do chodu. Přitom k přitažení kotvy postačuje mnohem menší ovládací proud, než je proud, který prochází obvodem ovládaného zařízení.

1 – cívka, 2 – jádro z magneticky měkké oceli, 3 – pohyblivá kotva, 4 – pružné kontakty,

5 – místo připojení ovládaného zařízení

10.1.5 Časová relé

Vyšší formy automatizace výroby si vynucují, pro řízení procesu, potřebu zpoždění mezi zapnutím a přepnutím kontaktů. Tato tzv. časová relé pak můžeme rozdělit na relé

se zpožděním zapnutím a vypnutím. V dnešní době je možné toto zpoždění řídit v širokém rozsahu.

10.1.6 PE měnič

Slouží k přeměně pneumatických signálů na elektrické. Jeho nedílnou součástí je elektrický přepínač s pohyblivým kontaktem, který je řízený pístem s vratnou pružinou.

V případě, že můžeme měnit hodnotu spínacího tlaku, označujeme tento prvek jako tlakový spínač.

185

10.2 Zdroje tlakového vzduchu a kapaliny

Stroj pro výrobu stlačeného vzduchu se nazývá kompresor. Kompresor přeměňuje mechanickou energii dodávanou elektromotorem nebo spalovacím motorem na energii

tlakovou.

Kompresor vyrábí tlakovou energii nasávání a stlačováním atmosférického vzduchu. Stlačený vzduch je možné skladovat v zásobnících. Aby bylo možné atmosférický vzduch

použít pro zařízení průmyslové pneumatiky, je nutné jej řádně upravit. 90% všech poruch pneumatických prvků připadá na nedostatečnou a nevhodnou úpravu stlačeného vzduchu. Většinou se používá centrální výroba a úprava stlačeného vzduchu, který je pak na

jednotlivé pracoviště rozváděn pomocí spádovaného potrubí. Spádování je nutné kvůli kondenzované vodě, která musí být ze systému rozvodu stlačeného vzduchu odváděna.

Mobilní zdroje stlačeného vzduchu se používají většinou jen ve stavebnictví nebo u strojů, které často mění svá pracoviště.

Jemný filtrJemný filtr

Kompresor

Vzdušník Hrubý filtr

SušičkaRegulátor

Maznice

Manometr

Jednotka úpravy vzduchu

Výroba a distribuce stlačeného vzduchu

186

10.2.1 Kompresory

Pro výběr kompresoru je rozhodující požadované množství dopravovaného vzduchu

a dosažitelný tlak. Kapacita kompresoru, nebo výběr kompresoru se vyjadřuje proudem vzduchu v m3/s, m3/h, dm3/s nebo v l/min. Objemová účinnost kompresoru vyjadřuje v procentech poměr objem dodávaného a nasátého vzduchu.

Rozdělení kompresorů

10.2.2 Objemové kompresory – s přímočarým pohybem

Zmenšují objem daného množství vzduchu a tím zvyšují jeho tlak.

- Pístové kompresory

– vzduch je stlačován v pracovní komoře pístového kompresoru. Pohyb pístu je poháněn klikovou hřídelí. Při

pohybu pístu dolu ke spodní úvrati dochází pod tlakem k otevření sacího ventilu a nasávání vzduchu do pracovní komory, při pohybu pístu nahoru se pak nasátý vzduch

stlačuje a po otevření výfukového ventilu vzduch proudí do vzdušníku.

kompresory

objemové proudové

pístové

s rotačním pohybem s přímočarým pohybem

membránové šroubové

lamelové

radiální turbínové

axiální turbínové

jednostupňový pístový

kompresor

187

- Pro výrobu stlačeného vzduchu s tlakem mezi 7 – 10 barů se používají

dvoustupňové pístové kompresory, které pracují s vyšší účinností a proto potřebují menší příkon. Vzduch stlačený prvním

válcem se ochlazuje a tím se zmenšuje jeho objem před stlačením v druhém válci.

Teplota vzduchu vycházející z druhého válce je přesto kolem 120oC.

- Membránový kompresor

- Membrána je spojena ojnicí s klikovou hřídelí

pohybem nahoru a dolů stlačují nasátý vzduch v pracovním prostoru kompresoru. Výhodou je oddělení pracovního prostoru od pohybové části

kompresoru, kompresor tedy dodává stlačený vzduch bez stop oleje a je nenáročný na údržbu.

Dosahují tlaku do 10 bar.

10.2.3 Objemové kompresory -

s rotačním pohybem

- Lamelový kompresor

- Ve válcové skříni kompresoru je excentricky uložen rotor, který má

řadu drážek ve kterých se pohybují lopatky. Při otáčení rotoru se lopatky odstředivou silou

vysouvají a přitlačují se ke skříni kompresoru. Mezi lopatkami se otáčením zmenšuje a tím je nasátý

vzduch stlačován. Do sacího kanálu musí být vstřikován olej,

který slouží k mazání kompresoru a současně působí jako těsnění a chlazení.

Mezi další objemové kompresory s rotačním pohybem patří šroubové kompresory, zubové

rotační kompresory a rootsův kompresor.

chladič

dvoustupňový pístový kompresor membránový kompresor

188

10.2.4 Proudové kompresory

Proudové nebo turbínové kompresory nasávají pomocí lopatkového kola nebo vrtule

atmosférický vzduch, který uvádějí do rychlého pohybu. Pohybová energie se proudícího vzduchu je pak ve vzdušníku přeměňována na tlakovou energii. Obdobou turbinového kompresoru jsou například letecké proudové motory. Tyto kompresory mají velký výkon.

10.2.5 Vzdušníky

Vzdušníky (zásobníky stlačeného vzduchu) vyrovnávají kolísání tlaku a zajišťují

plynulé zásobování rozvodů stlačeným vzduchem. Jsou většinou vybavené zařízením na sledování aktuálního tlaku ve vzdušníku. Toto zařízení pak při poklesu tlaku pod stanovenou mez spouští připojený kompresor.

Vzdušník musí být vybaven armaturou, tj. manometrem, přetlakovým ventilem, možností odpouštění kondenzátu a u velkých vzdušníků i průlezem pro vnitřní kontrolu.

Velikost zásobníku závisí na:

výkonu kompresoru

maximálním povolením rozdílu tlaků

velikosti rozvodného potrubí

spotřebě stlačeného vzduchu

Velikost zásobníku by však měl být v každém případě větší než 10% minutové dodávky kompresoru.

Vzduch se ve vzdušníku ochlazuje a dochází k uvolňování kondenzátu, proto jsou vzdušníky vybavené ventilem pro odpouštění kondenzátu.

11 Elektronická zařízení

11.1 Obvodové součástky

Obvodové součástky se nazývají součástky, ze kterých se skládá elektronický obvod. Jedná se o základní, dále nedělitelné části elektronického obvodu, které mají přesně dané

elektrické vlastnosti neboli parametry.

11.1.1 Dělení obvodových součástek

Obvodové součástky lze dělit podle mnoha kritérií (viz graf v kapitole 3.9 Základní

obvodové prvky v elektronice). Základní členění je podle toho, zda jsou pasivní či aktivní, zda jsou či nejsou kmitočtově závislé nebo podle toho jak jsou závislé na napětí a proudu. Dále je

můžeme rozdělit podle počtu vstupů a výstupů na elektrický dvojpól a čtyřpól.

a) Elektrický dvojpól (jednobran) – je jakákoliv elektrická součástka, která je do obvodu

připojena dvěma svorkami. Je jako neznámá černá skříňka, u které zkoumáme její elektrické vlastnosti, hodnoty zapisujeme do tabulek a grafů. Podle orientace napětí

a proudu se dvojpól může chovat jako zdroj (baterie, fotočlánek), nebo jako zátěž

(odpor, impedance).

189

U některých dvojpólů VA charakteristiky záleží na další veličině (tlak, teplota, osvětlení) pak hovoříme o řízeném dvojpólu.

Lineární dvojpól: Funkční závislost mezi obvodovými veličinami je lineární.

Nelineární dvojpól: k nelinearitě dvojpólu stačí nelinearita jedné ze součástek - funkční

závislost.

b) Elektrický čtyřpól – (dvojbran) - má 4 svorky. Vzájemný vztah mezi čtyřmi

obvodovými veličinami čtyřpólu je vyjádřena dvěma charakteristickými rovnicemi (v impedančním, admitančním nebo hybridním tvaru).

c) Trojpól – jedná se vlastně o čtyřpól, jelikož jedna ze svorek je společná jak pro vstup,

tak pro výstup (např. tranzistor, trioda, triak).

zjednodušené schéma trojpólu

Dále lze elektronické součástky dělit na aktivní a pasivní

Aktivní součástky

Chovají se jako zdroj el. energie, např. baterie, nebo součástky které se v obvodu chovají jako zdroj i spotřebič:fotodioda, tranzistor jako zesilovací součástka.

Pasivní součástky

Jsou spotřebiči a v obvodu se nikdy jako zdroje el. energie nechovají. Např.: rezistor, kondenzátor, cívka, ale taky polovodičová dioda, termistor atd.

190

11.2 Usměrňovače

Usměrňovače jsou polovodičová zařízení, která slouží k přeměně (usměrnění) střídavého proudu na stejnosměrný. Nejčastěji se s nimi setkáme ve zdrojích stejnosměrného

proudu.

11.2.1 Jednocestný (jednofázový, jednopulsní) usměrňovač

Jednocestný usměrňovač je tvořen jednou polovodičovou diodou zapojenou do série na výstupní svorky transformátoru. Dioda tak způsobí, že propouští pouze kladnou nebo

pouze zápornou půlvlnu střídavého proudu.

IF MAX = Maximální proud IFAV = Střední hodnota proudu procházejícího

diodou I0 = Střední hodnota usměrňovaného sinusového proudu:

U0max = Střední hodnota napětí na prázdno:

Při průchodu proudu I0 do zátěže RZ má střední hodnota usměrněného napětí velikost:

W)100-(10 trafopro % 7-15 U

(Si) V 1 a V(Ge) 0,5 U

U-U- U0,45 U

TR

D

TRDEF 20

Při činnosti je dioda namáhána v propustném směru pulsujícím proudem Is s maximální hodnotou IF MAX a střední hodnou:

Napětí namáhané diody je malé. V závěrném směru je dioda namáhána napětím UR, které dosahuje své maximální hodnoty UR MAX v okamžiku, kdy je na katodě nulové napětí a

na anodě dosáhne záporné napětí maxima:

MAX 2MAX R U U Výhody: Jednoduché zapojení, lze připojit přímo na síť (jednoduché nabíječky, žhavení

elektronek).

FZ

2maxFmax

R R

U I

2EF2EF2max

0max 0,45U U 2

U

U

F

00AV F

R

U I I

191

Nevýhody: Velké zkreslení výstupního napětí (činitel zvlnění = 121%). Vinutím

transformátoru prochází stejnosměrná složka proudu, která může být příčinou jeho zahřívání.

Zátěžová charakteristika jednocestného usměrňovače s odporovou zátěží:

11.2.2 Dvoucestný (můstkový) usměrňovač s odporovou zátěží

Jde o nejvýhodnější zapojení čtyř diod do můstku (tzv. Gretzův můstek). Díky tomuto

zapojení se záporná půlvlna převrací a stává se tak kladnou.

Maximální proud:

2

PDF

F

MAX 2MAX F

p

RRsR 2 R

R Rz

U I

Vzhledem k dvojnásobnému kmitočtu impulsu proti jednocestnému usměrňovači je:

MAX F0

I 2 I (platí pro sinusový průběh)

Celkový proud I0 odebíraný zátěží se dělí rovnoměrně na obě usměrňovací cesty:

2

I I

0AV F

192

Střední hodnota usměrněného pulsujícího napětí na prázdno je rovna maximálnímu

napětí na sekundárním vinutí transformátoru:

EF 2MAX 2

MAX 0 U0,9 U2

U

Při zatížení I0 se bude U0 MAX snižovat dle přímky:

TRDMAX 00

0FMAX 00

U-2U- U U

IR - U U

Napěťově jsou diody namáhány v závěrném směru maximálním napětím transformátoru U2 MAX.

Výhody: Jednoduchý transformátor lze připojit přímo na síť, menší napěťové zatížení

diod proti uzlovému zapojení.

Nevýhody: Je potřeba čtyři diody, možno však použít integrovaný můstek, menší účinnost než u uzlového zapojení (činitel zvlnění = 48,5%).Zatěžovací charakteristika

dvoucestného usměrňovače s odporovou zátěží Zatěžovací charakteristika dvoucestného usměrňovače s odporovou zátěží:

11.2.3 Dvoucestný uzlový usměrňovač s odporovou zátěží

Síťový transformátor vytváří dvě stejně velká sekundární napětí posunutá fázově o

180°. Diody se střídají v činnosti, proud pulsuje dvojnásobným kmitočtem. Usměrněné napětí a proud jsou stejné jako u můstkového usměrňovače.

Celkový proud I0 odebíraný zátěží se dělí usměrněně na obě usměrňovací diody. Střední hodnota usměrněného

napětí je stejná jako u můstkového zapojení:

2

PDF

F

MAX 2MAX F

p

RRsR 2 R

R Rz

U I

193

EF 2MAX 2

MAX 0 U0,9 U2

U

TRDMAX 00

0FMAX 00

U-2U- U U

IR - U U

V závěrném směru jsou diody namáhány napětím dvojnásobným:

RRMEF 2MAX 2RM U U2,8 U2 U

Výhody: Potřebujeme pouze dvě diody, velká účinnost usměrňovače. Nevýhody: Může pracovat jen s transformátorem s dvěma sekundárními vinutími,

diody jsou namáhány vysokým napětím.

11.2.4 Jednocestný usměrňovač se sběracím kondenzátorem

(nabíjecím)

Proud protéká pouze v části periody, které se říká úhel otevření (20) a to v době, kdy je napětí na transformátoru vyšší než na kondenzátoru C. Vlivem nabíjení a vybíjení kolísá

napětí na kondenzátoru kolem střední hodnoty U0 v rytmu kmitočtu sítě. Průběh této proměnné složky je přibližně pilovitý. Jak je patrné z grafu průběhu napětí, kondenzátor vyrovnává průběh napětí tak, že napětí neklesá k nule. Můžeme říci, že nám kondenzátor

snižuje tzv. zvlnění.

11.2.5 Dvoucestný usměrňovač se sběracím kondenzátorem

První harmonické napětí zvlnění Uzv má dvojnásobný kmitočet, než je kmitočet sítě a proti jednocestnému zapojení usměrňovače má i menší amplitudu, to je výhodné pro další

vyhlazování, filtry pro vyšší kmitočet jsou účinnější.

194

11.2.6 Zapojení usměrňovače se souměrným sekundárním vinutím

síťového transformátoru se sběracím kondenzátorem

Zatěžovací charakteristika, velikost zvlnění i proudové namáhání diod je stejné jako

u můstkového zapojení. Napěťové namáhání diod v závěrném směru je dvojnásobné.

11.2.7 Třífázový jednocestný usměrňovač

Napětí všech tří fází jsou vůči sobě fázově posunuty o 180°. Každá dioda vede jen

kladnou část půlvlny. Vzniká pulsující napětí o 3x větší frekvenci než u jednocestného usměrnění. Pokud se zapojí i filtrační kondenzátor znatelně se zmenší i zvlnění.

11.3 Zesilovače Zesilovač je elektronické zařízení, které je schopno transformací elektrické energie

z vnějšího napájecího zdroje měnit parametry vstupního signálu. Z hlediska elektroniky bývá

považován za aktivní dvojbran (nelineární), který je tvořen zesilovacím prvkem a pomocnými obvody zajišťující nastavení a stabilizaci pracovního bodu.

Obvykle zesilovač slouží především k zesílení amplitudy signálu, nebo jeho úrovně (u stejnosměrných zesilovačů), na požadovanou hodnotu. Používá se ale i v zapojeních, kde je potřeba změnit tvar signálu a jiných.

Rozdělení zesilovačů:

Zesilovače můžeme dělit podle konstrukce, zesilovacího média, podle velikosti budícího signálu, podle typu budícího signálu nebo například podle třídy zapojení. Obvykle udávanými parametry jsou u nich zisk, šířka zesilovaného pásma a zkreslení.

Podle použitých součástek:

elektronkové zesilovače

tranzistorové zesilovače zesilovače s integrovanými obvody zesilovače s jinými součástkami (výbojky, relé, optoelektrické prvky … )

195

Podle druhu a kmitočtu vstupního signálu:

nízkofrekvenční (20 Hz - 20 kHz. Použití v elektroakustických zařízeních) vysokofrekvenční (20 kHz a výše. K bezdrátovému přenosu zpráv)

impulzové (Používá se tam, kde se pracuje s impulzy …. Televizní technika, PC, radiolokace)

stejnosměrné (podstatná součást měřicích a regulačních zařízení, analogových

počítačů atp.) mikrovlnné (řádově GHz)

operační zesilovač Podle velikosti vstupního (budícího) signálu:

předzesilovače - zesilují signály malé úrovně

výkonové zesilovače – zesilují signály z předzesilovačů na požadovaný výkon Podle počtu stupňů:

jednostupňové vícestupňové

Podle šířky přenášeného (zesilovaného) kmitočtového pásma:

úzkopásmové širokopásmové

Podle vazby mezi zesilovacími stupni:

s vazbou RC (kapacitní vazba) – patří mezi nejpoužívanější vazby. s transformátorovou vazbou

s přímou vazbou

11.3.1 Zpětná vazba Je snadné vytvořit zesilovač, který bude zesilovat mnohem vícekrát, než po něm

chceme. Naopak je těžké jej zapojit tak, aby nezkresloval signál a aby šlo zesílení nastavit

na předem určenou hodnotu. Abychom toho dosáhli, přičteme část výstupního signálu

ke vstupnímu a tím vytvoříme tzv. zpětnou vazbu. Zpětná vazba může být různých typů, rozlišujeme hlavně kladnou a zápornou.

U zesilovačů použijeme zápornou, což vyžaduje, aby zesilovač invertoval signál. To, že napětí na výstupu zesilovače má opačnou polaritu než na vstupu, obvykle není na závadu. Signál invertuje řada zesilovačů sama od sebe (třeba tranzistor se společným

emitorem). Když k zesilovači se zápornou zpětnou vazbou připojíme malé napětí, začne klesat

napětí na výstupu, dokud se jeho vliv na vstupu, nevyrovná se vstupním signálem. Čím je zpětná vazba silnější, tím menší zesílení získáme.

11.4 Oscilátory

Obecně jsou oscilátory všechna zařízení, která vytvářejí periodicky proměnné průběhy fyzikálních veličin. Oscilátory LC jsou určeny hlavně pro výrobu vf. signálů.

Po zavedení elektrické energie do obvodu LC se tento obvod rozkmitá na svém

rezonančním kmitočtu. Pokud by byly součástky ideální, pak by tyto kmity byly netlumené a kondenzátor s cívkou by si do neustále předávaly svou energii. Protože se však jedná o reálné součástky L a C, které vykazují určité ztráty, kmitají kmity tlumenými.

196

Paralelní rezonanční obvod, tlumené kmity, netlumené kmity

K udržení oscilací je proto zapotřebí zajistit stálou dodávku energie, která bude kmity

udržovat. K tomu slouží aktivní součástka připojená k obvodu LC. Podle typu aktivní součástky a způsobu zapojení rozlišujeme dvoupólové oscilátory využívající prvku se záporným diferenciálním odporem a zpětnovazební oscilátory.

U dvoupólových oscilátorů využíváme součástek se záporným diferenciálním odporem

– tunelová dioda, tetroda, apod. Každý obvod LC můžeme charakterizovat rezonančním kmitočtem f0 a činitelem jakosti Q=w0L/Rs=Rp/w0L. Tento činitel udává, jak rychle doznívají

vlastní kmity obvodu po vybuzení vhodným impulsem. Připojíme-li k takovému obvodu aktivní součástku se záporným diferenciálním odporem, bude se jím kompenzovat ztrátový odpor obvodu LC a tím se bude zvětšovat jeho činitel jakosti. Výsledný reálný odpor může

být dokonce záporný, pak bude činitel Q rovněž záporný a amplituda kmitů bude stoupat. Nebude se tak však dít do nekonečna, neboť součástky vykazující záporný diferenciální odpor

ho vykazují pouze v určité pracovní oblasti.

Oscilátor s tunelovou diodou

V případě zpětnovazebních oscilátorů jsou ztráty obvodu LC hrazeny prostřednictvím

zesilovače s kladnou zpětnou vazbou.

197

Zesilovač se zpětnou vazbou

Podle typu se rozeznávají generátory a oscilátory typu LC,RC a oscilátory řízené

krystalem.

U sinusových oscilátorů může někdy nelinearita obvodu způsobit nežádoucí jevy (kmity na více frekvencích, změny oscilační frekvence). Z tohoto důvodu a pro větší stabilitu

se zapojují se dvěma zpětnými vazbami. Frekvenčně závislá zpětná vazba je podpořena frekvenčně nezávislou nelineární zpětnou vazbou, která závisí na amplitudě Uvýst. Toto

zapojení se používá u oscilátorů, které mají pracovat jako frekvenční a v laboratorních generátorech.

Oscilátor obsahuje tyto základní prvky:

a) Aktivní prvek (obvykle tranzistor nebo operační zesilovač) b) Pasivní prvek (rezonanční obvod LC, krystalový výbrus, RC článek)

c) Pomocné prvky (zprostředkovávají vazbu mezi aktivním a pasivním prvkem, nastavují a stabilizují prac. bod.)

11.4.1 Oscilátory LC

Jako řídící dvojbran se používá obvod LC, tyto oscilátory se používají jako laditelné VF oscilátory v přijímačích, vysílačích a různých měřících přístrojích. Z pravidla mají jednu zpětnovazební smyčku, ve které je zapojen zesilovač a pasivní dvojbran ve tvaru

rezonančního LC obvodu doplněný příslušnými členy. Jednotlivé typy LC oscilátoru se vzájemně liší zapojením řídícího dvojbranu a jeho zapojením s aktivním dvojbranem.

Dle způsobu zapojení se dělí na:

a) Oscilátory s vazbou indukční b) Tříbodové oscilátory

198

Oscilátory s indukční vazbou

Meissnerovo zapojení

Činnost: Po připojení obvodu k napájecímu zdroji se nastaví pracovní bod a součastně prochází kolektorový proud cívkou L. Ve vazební cívce Lv se indukuje střídavé napětí, které se usměrní přechodem báze – emitor tranzistoru T. Napětí na C1 se bude snižovat, bude

se měnit pracovní bod a tranzistor se bude přivírat (třída B). Automaticky se tak zabezpečí, že kolektorový proud nepřekročí dovolenou hranici.

Zkreslení signálu zůstává v přijatelných mezích, protože rezonanční obvod LC má selektivní charakter a vybírá první harmonickou (automatickou regulaci amplitudy zajišťuje nelinearita zesilovače).

Tříbodové oscilátory

Aktivní součástka je na řídící obvod připojena ve třech směrech.

Hartleyův oscilátor: Indukční dělič napětí. Colpittsův oscilátor: Kapacitní dělič

napětí.

LC2

1 f0

199

Pro dosažení lepší účinnosti a při požadovaných lepších výkonech se používá

dvojčinné zapojení oscilátoru. Toto zapojení se používá u napěťových měničů vyrábějících z malého stejnosměrného napětí střídavé napětí. V součastné době je elektrická část oscilátoru realizována integrovaným obvodem, který se připojí k příslušnému impulsnímu

transformátoru .

11.4.2 Oscilátory řízené krystalem

Základem tohoto oscilátoru je destička z křemene opatřená vývody na protilehlých stranách (piezoelektrický jev). Rozměry se zvolí tak, aby se mechanická rezonanční frekvence skládala z frekvencí elektrických kmitů, které má oscilátor generovat. Správně provedený

výbrus se projevuje jako úplný rezonanční obvod s nepatrným tlumením, tedy vysokým Q (řádově 104).

Z náhradního zapojení je patrné, že výbrus krystalu vykazuje 2 rezonanční kmitočty,

paralelní a sériový, fp > fs.

Použití krystalových oscilátorů:

Radiokomunikace (stabilita frekvence nosných vln)

Hodinové generátory (C10CK) - taktovací generátory v obvodech digitální techniky.

Čadové etalony.

Zařízení s mikroprocesory. - Měřící přístroje

- Kompletní oscilátory v uzavřených pouzdrech jako modulové jednotky pracující na různých frekvencích a vyznačující se pohotovým použitím.

Piercův oscilátor řízený krystalem, zapojení SE

Odpory R1 , R2 , R3 slouží pro nastavení a stabilizaci pracovního bodu, je nutný

tranzistor s velkým zesílením. Krystal kmitá na paralelní

rezonanci. Jemně ho lze doladit kapacitním trimrem. Vysoká stabilita frekvence. Amplituda

oscilací je silně závislá na stabilitě pracovního bodu. Nevýhoda:

200

Nelze uzemnit jeden vývod krystalu.

Cloppitsův oscilátor, zapojení SC

Zpětná vazba se realizuje

kapacitním děličem C1 , C2 z emitoru do báze. Oscilátor kmitá mezi sériovou a paralelní rezonancí krystalu. Jeden

vývod krystalu může být uzemněn. Teplotní součinitel frekvenční stability

dosahuje hodnoty přibližně 1 až 3 10-6/ °C , při frekvenci 1 MHz změní oscilátor

svůj kmitočet o 1 až 3 Hz na °C , frekvence oscilátoru přeladit nejde.

11.4.2.1 Harmonické oscilátory:

Přes velkou frekvenční stabilitu krystalových výbrusů dochází při vyšších frekvencích

k větší odchylce, než je únosná. Odchylka 1 až 3 10-6 při základní frekvenci 100 Mhz je

stokrát větší než při frekvenci 1 MHz. Krystaly se základními vysokými frekvencemi vyžadují náročnější obvody a kladou vyšší požadavky na parametry VF tranzistoru. Tyto problémy se výrazně zmenší zapojením tzv. harmonických oscilátorů, které využívají vlastnosti krystalu

kmitat i na vyšších harmonických, obvykle lichých. Oscilace na příslušném lichém násobku základní frekvence se zajistí LC obvodem kolektoru naladěném na příslušnou frekvenci.

Dvoupólové oscilátory: Tyto oscilátory pracují s aktivními součástkami se záporným diferenciálním odporem (tunelová dioda, tetroda – elektronka). Harmonické kmitání

sinusového průběhu vzniká pouze se zapojením s LC obvodem, obvodem ve tvaru rezonančního vedení nebo dutinového rezonátoru. Součástky se záporným diferenciálním odporem kompenzují ztrátový odpor obvodu LC.

201

11.4.3 Oscilátory RC

Řídící obvod je sestaven ze součástek RC tak, aby vytvořený dvojbran spolu

s přenosovými vlastnostmi aktivního dvojbranu umožnil splnit amplitudovou a fázovou podmínku.

Oscilátor RC s posouvačem fáze (derivační a integrační článek)

Derivační článek (horní propusť)

Integrační článek (dolní propusť)

11.4.3.1 Oscilátor

s derivačním příčkovým článkem

Princip činnosti: Fázovací obvod pro f0 zabezpečuje fázový posuv = 90° a je to proto

zařazen do obvodu kladné zpětné vazby. Odpory R1 a R2 nastavují potřebné zesílení větší než 29.

29 1 R2

R1 Au

202

20 - 2 praxe ,- min f

max f K

11.4.3.2 Oscilátor s integračním příčkovým článkem

Vzhledem k fázovému posuvu = - 90° musí být zařazen do zpětné vazby.

Odpory R1 a R2 nastavují potřebné zesílení, příčkový článek určuje frekvenci.

Zesílení zesilovače musí být přibližně 29 na kvazirezonanční

frekvenci (protože útlum kaskády článků je 1/29). Pokud budou jednotlivé stupně příslušných článků odděleny

impedančními převodníky, stačí zesílení zesilovače 8 (může být i emitorový sledovač – klasický s tranzistorem). Tyto obvody se vyznačují spolehlivou funkcí, ale nesnadnou

přeladitelností.

Závěr oscilátorů:

1) Rezonanční nebo kvazirezonanční frekvence je dána vlastnostmi zpětnovazebního dvojbranu (fázovacího obvodu).

2) Přeladitelnost oscilátoru:

Platí pro změnu provedenou jedním prvkem

LC oscilátory – ladícím prvkem bývá nejčastěji kondenzátor, v moderních zařízeních

se používá kapacitní dioda (varikap), méně často cívka, ale pro větší změny frekvence se přepíná cívka.

RC oscilátory – proměnným prvkem je tandemový (dvojnásobný, případně více násobný) potenciometr a to v rámci jedné frekvenční dekády. Změna frekvence větší se provádí přepínacím kondenzátorem.

3) Stabilita frekvence oscilátoru: Frekvence se v průběhu času mění a závisí na oteplení součástek (teplotní změna parametrů), stárnutí součástek (časová změna parametrů), jiné

vnější vlivy (teplota okolí, kolísání napětí, vlastní mechanické provedení).

Stabilita oscilátoru závisí na parametrech zpětnovazebního dvojbranu. Oscilátor je tím stabilnější, čím větší změnu fáze by způsobila náhodná odchylka od kvazirezonanční

frekvence (tím větší je vliv fázové podmínky k vzniku oscilací). To znamená, že oscilátor je tím stabilnější, čím větší činitel jakosti má zpětnovazební obvod.

11.5 Klopné a spínací obvody

Klopné obvody:Vznik napětí obdélníkového průběhu se u těchto obvodů dosahuje velmi

silnou kladnou zpětnou vazbou (součin Au je mnohem větší než jedna) ve velmi

širokém frekvenčním rozsahu. Obdélníkový průběh lze rozložit na řadu sinusových průběhů.

29 Au R1

R2- Au

203

11.5.1 Astabilní klopný obvod AKO:

Je to regenerační obvod realizovaný většinou obvodem s kladnou zpětnou vazbou (zesilovač s kapacitní kladnou zpětnou vazbou). Klasické zapojení AKO:

Princip činnosti obvodu: a) Výchozí stav: T1 uzavřen,

T2 otevřen (stav nasycení – zajišťuje odpor Rb2). Tento stav

se nastaví přechodovým jevem po připojení obvodu ke zdroji.

b) Vlastní činnost: C2

se nabíjí přes rezistor Rb1. Závěrné napětí na bázi tranzistoru T1

se zmenšuje, až se T1 otevře a napětí na jeho kolektoru poklesne.

Tento pokles (tato změna) se přenese přes C1 na bázi tranzistoru T2, který se uzavírá. Napětí

na uzavírajícím se tranzistoru T2 roste a tento růst dále podporuje vazbou přes C2 otevírání T1. Přechod proběhne lavinovitým pochodem. T1 je otevřen, T2 uzavřen. C1 se nabíjí přes

rezistor Rb2, aby v okamžiku otevírání T2 obvod přešel zpět do předchozího stavu. Astabilní klopný obvod s nasycenými tranzistory může při zapínání přejít do stavu, kdy

jsou oba tranzistory otevřené. Smyčka kladné zpětné vazby je přebuzena a není splněna podmínka regenerativního obvodu. Astabilní obvody v symetrickém uspořádání s tranzistory

jedné polarity pracují při správné funkci tak, že vždy jeden tranzistor je uzavřen a druhý je otevřen. Astabilní obvody s komplementárními tranzistory jsou jednodušší, protože jedna z kapacitních vazeb může být nahrazena stejnosměrnou vazbou. Oba tranzistory jsou

současně buď ve vodivém, nebo nevodivém stavu. U tohoto typu AKO je téměř vyloučeno nenastavení kmitů při zapnutí. Předpokladem ovšem je, že AKO je správně navržen

(po rozpojení zpětné vazby se pracovní body tranzistorů musí ustálit v aktivní oblasti).

Zapojení astabilního obvodu s operačním zesilovačem:

Kondenzátor C je vybitý, proběhne přechodoví děj, na odporu R1 (U+) se objeví nějaké napětí, větší než

napětí na kondenzátoru, orientace napětí bude od neinvertujícího vstupu k invertujícímu vstupu – kladná saturace.

Kondenzátor C se začne nabíjet přes odpor R, až napětí na něm dosáhne větší hodnoty než na odporu

R1. přeje operační zesilovač do záporné saturace, napětí na odporu R1 bude záporné a kondenzátor se

začne vybíjet.

R2 R1

U0 R1 I R1 U

204

11.5.2 Monostabilní klopný obvod MKO

Je schopen setrvávat v jednom stabilním stavu neomezenou dobu a ve druhém stavu

přechodně. Tato přechodná doba se označuje jako doba kmitu. Zapojení MKO:

Princip činnosti obvodu:

a) Výchozí stav: T1 otevřen pomocí rezistoru Rb2.

b) Vlastní činnost: Po příchodu kladného spouštěcího impulsu se T1

otevře, na jeho kolektoru poklesne napětí, tento pokles se přenese přes C1 na bázi T2, který se začne uzavírat.

Napětí na jeho kolektoru bude stoupat. Tento růst se pomocí R1 přenese na bázi

T1 a tak podpoří jeho otevření až do nasyceného stavu. V tomto okamžiku je na bázi T2 napětí Ube – Ucc. Vzápětí se bude C1 nabíjet přes rezistor Rb2 směrem k napětí +Ucc. Nabíjení trvá až do okamžiku, kdy narůstající napětí na bázi T2 překročí prahovou hodnotu

a T2 se začne otevírat. Tehdy dojde ke zpětnému překlopení, T1 se uzavře a na C1 se ustálí přibližně napětí zdroje. Doba, za kterou byl obvod překlopen, je doba kmitu. Doba,

po kterou dochází k ustálení napětí na C1 po zpětném překlopení, je doba zotavení.

V případě, že spouštěcí impuls přijde dříve, než uplyne doba tz, bude kmit kratší, než vypočítaná hodnota. Monostabilní klopný obvod se realizuje také pomocí operačního

zesilovače nebo logických členů NAND.

Používá se například při konstrukci otáčkoměru.

Zapojení s operačním zesilovačem:

Kondenzátor c1 s rezistory R1 a R2

tvoří tzv. derivační článek.

205

11.5.3 Bistabilní klopný obvod BKO

Tento klopný obvod setrvává ve stavech libovolně dlouho a překlopí se do druhého

stavu po přivedení spouštěcího impulsu. Zapojení BKO: Princip činnosti obvodu:

Po připojení obvodu na zdroj napětí se napěťové poměry ustálí tak, že T1 je otevřen a T2

uzavřen. Nebo naopak. Přechod mezi stavy se

děje regenerativním pochodem. Pokud je T1 uzavřen (na jeho kolektoru bude napájecí

napětí), tranzistor T2 je v nasyceném stavu. Když se na

rezistor Rb1 přivede kladný impuls, T1 se otevře, napětí na

jeho kolektoru poklesne, tento proces se přenese přes Rb1 na T2, který se začne uzavírat.

Napětí na jeho kolektoru bude narůstat a tento růst se bude přenášet přes Rb2 na bázi tranzistoru T1 a dále tak podporovat otvírání T1. Celý pochod je takto sám sebou urychlován,

je to tedy regenerativní proces. Pro uvedení obvodu zpět do původního stavu je nutné přivést kladný impuls na bázi tranzistoru T2 přes rezistor Rb2. Vzhledem k tomu, že k překlápění lze použít vhodné spouštěcí impulsy, nazývají se tyto obvody také jako spouštěcí obvody. Pro

urychlení přechodového děje jsou ve zpětnovazebních větvích zařazeny urychlovací kondenzátory (paralelně k oporům Rb1 a Rb2). Překlápění lze realizovat různými způsoby:

a) Přivedením impulsu do báze: Kladný impuls na bázi uzavřeného tranzistoru nebo záporný impuls ne bázi otevřeného tranzistoru. Střídajícími impulsy lze obvod překlápět jejich přívodem na jednu bázi.

b) Přívodem impulsu na kolektor uzavřeného tranzistoru Použití: Dělič kmitočtu dvěmi, tento obvod lze realizovat pomocí členů NAND.

11.6 Číslicová technika

V řídící technice se rozlišují analogové, binární a číslicové (digitální) signály.

Analogové signály mění svoji hodnotu úměrně příčině, která je vyvolává. Výstupní napětí děliče tvořeného potenciometrem se mění analogově s nastavením jezdce potenciometru. Analogové signály mohou nabývat jakékoli hodnoty uvnitř intervalu tvořeného

krajními hodnotami signálu. Jsou plynule proměnné.

206

Binární signály mají dva možné stavy. Například žárovka buď svítí, nebo nesvítí.

Binární signály mohou nabývat jen dvou stavů např. 0 nebo 1.

Číslicové signály mění svoji hodnotu skokově a vždy o stejnou hodnotu. Číslicový

signál vícestupňového děliče napětí je možné například měnit po dílčích krocích z hodnoty 0 až do hodnoty napájecího napětí.

Číslicové signály mají větší počet stavů. Jsou měnitelné stupňovitě.

11.6.1 Logické operace (členy)

Všechny řídící úlohy lze řešit pomocí tří základních operací (funkcí): AND (logický součin), OR (logický součet), a N (negace).

Někdy rozlišujeme pojmy logický člen a hradlo. Pojem hradlo pak označuje fyzickou součástku (např. integrovaný obvod). Zatímco pod pojmem logický člen je myšlen prvek realizující logickou funkci.

Existují dva způsoby značení logických členů. Prvním jsou obdélníkové (čtvercové) značky (IEC, DIN). Druhým způsobem jsou značky složené z křivek (ANSI), které jsou

rozšířeny v profesionálních systémech pro návrh logických obvodů. U obou způsobů značení existují v praxi drobné varianty. Negovaný výstup je často označen kolečkem.

11.6.1.1 NOT (Invertor)

Jedním z nejjednodušších logických členů je invertor. Realizuje funkci tzv. logické

negace. Někdy se místo něj používá negovaného logického součtu s přivedením hodnoty

pouze na jediný vstup (v tomto případě "A"). Vzhledem k tomu, že na zbylém vstupu bude logická 0, nebude mít tento vstup již na provedení operace vliv. Taktéž je možno použít

negovaného logického součinu, kdy se všechny vstupy propojí paralelně (mezi sebou).

207

Funkce

Značení Pravdivostní tabulka

norma symbol

ANSI/MIL

IEC

DIN

11.6.1.2 AND (Konjunktor)

Tento člen provádí funkci tzv. logického součinu (konjunkce).

Funkce

Značení Pravdivostní tabulka

norma symbol

ANSI/MIL

IEC

DIN

11.6.2 OR (Disjunktor)

Tento člen provádí funkci tzv. logického součtu (disjunkce).

Funkce

Značení Pravdivostní tabulka

norma symbol

ANSI/MIL

IEC

DIN

208

11.6.3 NAND (Shefferova funkce)

Tento člen provádí funkci tzv. negovaného logického součinu (Shefferovu funkci) neboli součet negací. Je to nejběžněji používané hradlo. Propojením vstupů, je schopno

pracovat jako invertor. Lze pomocí něho realizovat většinu klopných obvodů.

Funkce

Značení Pravdivostní tabulka

norma symbol

ANSI/MIL

IEC

DIN

11.6.3.1 NOR (Peirceova funkce)

Tento člen provádí funkci tzv. negovaného logického součtu (Peirceovu funkci) neboli součin negací. Propojením vstupů je schopen pracovat jako invertor.

Funkce

Značení Pravdivostní tabulka

norma symbol

ANSI/MIL

IEC

DIN

209

11.6.4 XOR

Tento logický člen vyčísluje exkluzivní logický součet.

Funkce

Značení Pravdivostní tabulka

norma symbol

ANSI/MIL

IEC

DIN

11.6.5 XNOR

Jedná se o negaci exkluzivního logického součtu.

Funkce

Značení Pravdivostní tabulka

norma symbol

ANSI/MIL

IEC

DIN

11.6.6 Realizace logických obvodů

11.6.6.1 HW realizace

Logický člen je možno realizovat vhodným zapojením aktivních součástek, tranzistorů, dále pak diod, rezistorů či dalších pasivních součástek. Často se lze setkat s logickými členy ve formě integrovaných obvodů (například řady 74xx), v nichž jsou hradla

sestavena z několika tranzistorů. Logické integrované obvody se dělí na TTL, SCHOTTKY STTL, SCHOTTKY ALS, HTL, DTL, LS, CMOS, NMOS a další podle

technologie výroby.

210

Integrovaný obvod 7400 se 4 hradly NAND vyrobený pomocí tranzistorů

11.6.6.2 SW realizace

V oblasti řízení se logické členy používají pro návrh logických sítí, které se potom aplikují do programovatelných logických automatů. Logické členy jsou potom pouze virtuální a realizaci zvolené logické funkce zajišťuje programový algoritmus.

11.7 Rozhlasová a televizní technika

11.7.1 Přenos televizního a rozhlasového signálu el. magnetickým

vlněním

Elektromagnetické vlny

Elektromagnetickou vlnou (Elektromagnetickým zářením) nazýváme děj, při němž

se prostorem šíří příčné vlnění elektrického a magnetického pole. Existenci těchto vln

předpověděl v roce 1832 anglický fyzik Michael Faraday a skotský fyzik James Clerk Maxwell je v roce 1865 teoreticky dokázal pomocí matematických rovnic. Elektromagnetické

vlny se šíří rychlostí světla. Zdrojem elektromagnetických vln je každá elektrická jiskra - tedy i blesk. Umělé

elektromagnetické vlny přesné vlnové délky vytváříme tzv. otevřeným oscilačním obvodem

viz. dále. V paralelním kmitavém obvodu dochází střídavě k téměř bezztrátové výměně energie

mezi kondenzátorem a cívkou. V uzavřeném kmitavém obvodě je elektrické pole soustředěno převážně mezi deskami kondenzátoru a magnetické pole je soustředěno převážně v cívce a kolem ní. Jsou-li desky kondenzátoru vzdalovány od sebe, přesouvá se elektrické pole

do volného prostoru. Z uzavřeného kmitavého obvodu se stává otevřený kmitavý (oscilační) obvod, elektrický dipól.

211

obr. a) uzavřený kmitavý obvod b) otevřený kmitavý obvod

11.7.2 Princip rádiového vysílání

Pro dobrou kvalitu rádiového vysílání je nutné vyrobit co nejlepší modulační signál. Ten vzniká v rozhlasovém studiu a jeho zdrojem může být řeč nebo nf signál ze záznamového

zařízení. Zvukové vlny o frekvenci 16Hz až 16 kHz jsou zachyceny mikrofonem a převedeny na nf (tónový) signál o stejné frekvenci. Signál je zesílen nf zesilovačem a podle potřeby

upraven a smíchán se signály z ostatních vstupů. Poté je opět zesílen na napětí (výkon), které je nutné k dálkovému přenosu na vysílač pomocí radioreléových tras. Na vysílač dorazí nf signál, který má stejný kmitočet a průběh jako nf signál ve studiu. Pro vznik

elektromagnetického vlnění je nutné na vysílací anténu přivést vf signál. Nf signál se tedy zesílí a je „zapsán“ do vf signálu. Tomuto zápisu se říká modulace. Nf kmitočet

je modulačním kmitočtem (obsahuje přenášené informace) a vf kmitočet je nosným (slouží pro distribuci nf kmitočtu). Nosný (vf) kmitočet vzniká v oscilátoru budiče vysílače a spolu s modulačním (nf) signálem přechází do modulátoru, kde dochází k modulaci. Tento signál

je zesílen v koncovém stupni a odtud přechází na půlvlnný dipól, ze kterého je vyzařován do okolí formou elektromagnetického záření.

obr. 33 a) Blokové schéma vysílače b) Blokové schéma přijímače

212

11.7.3 Amplitudová modulace (AM)

U amplitudové modulace se mění rozkmit (amplituda) nosného kmitočtu v závislosti na nf modulačním kmitočtu. Amplituda nosných (vysokofrekvenčních) kmitů se mění v rytmu

modulujícího kmitu (nízkofrekvenčního, tónového). Amplitudově modulovaný signál vytvoříme vynásobením signálu představujícího amplitudu proměnou podle přenášené informace a signálu nosné vlny. Toto vynásobení se provádí v analogových obvodech –

násobičkách. Takovou násobičkou může být tranzistorový zesilovač. Kmity lze rozložit na tři sinusové kmity:

· kmitočet nosných kmitů · součet kmitočtů nosných a modulujících kmitů · rozdíl kmitočtů nosných a modulujících kmitů

11.7.4 Kmitočtová (frekvenční) modulace (FM)

Při tomto systému modulace se informace, kterou chceme přenášet, kóduje nikoliv do amplitudy, ale do okamžitého kmitočtu nosné vlny. Kmitočet se mění v rytmu modulujících kmitů. To je zajištěno ovlivňováním kmitočtu tranzistoru v oscilačním obvodu

v závislosti na modulačním signálu. Rozdíl mezi maximálním a minimálním kmitočtem nosné vlny, nazýváme frekvenčním zdvihem (frequency swing), polovinu této hodnoty frekvenční

odchylkou (frequency deviation).

Pro rozhlasové vysílání na FM je předepsaná maximální frekvenční odchylka

75kHz, tedy frekvenční zdvih 150 kHz, pro vysílání zvukového doprovodu k televiznímu

vysílání je předepsaná maximální frekvenční odchylka 25kHz. U občanských radiostanic,

které pracují rovněž s frekvenční modulací, je tak velká frekvenční odchylka zbytečná (pracujeme pouze se signálem řeči, který lze bez újmy na srozumitelnosti frekvenčně omezit

shora kmitočtem 3kHz) a je tedy stanovena na 5kHz (tzv. úzkopásmová FM).

Výhody oproti modulaci AM:

amplituda se nemění vyšší odolnost proti atmosférickým poruchám, vyšší odstup signálu

od šumu, lepší využití výkonu vysílače, možnost namodulovat signál do 15 kHz věrné

zachycení slyšitelného zvuku (AM pouze do 4,5 kHz)

11.8 Slaboproudé rozvody a instalace

O ČSN 34 23 00 - Předpisy pro vnitřní rozvody sdělovacích vedení. Slaboproudé rozvody = rozvody, které mají napájení 230 V, ale na výstupu je malé napětí do 100 V. Mezi slaboproud

patří rozvod telefonu, zařízení pro společný příjem, rozvod televizních a rozhlasových signálů, EPS, EZS, zvonek, domácí telefon s elektrickým vrátným, počítačové sítě. Sdělovací

rozvody tvoří souhrn všech částí, které slouží k vysílání, přenosu a příjmu Rozdělení:

Venkovní slaboproudé rozvody kabelové vedení přenos vzduchem (příjem).

Vnitřní slaboproudé rozvody základní doplňkové.

213

Vnitřní rozvody:

Základní – telefonní zařízení, televizní rozvod, zvonková signalizace, dorozumívací signalizace, požární signalizace

Doplňkové – místní rozhlas, jednotný čas, EZS, informační zařízení, průmyslová televize, inteligentní řízení domu

Základní domovní slaboproudé rozvody

1. Zvonková signalizace

V rodinných domech napájení v rozvaděči, zvonek + zvonkové tlačítko + vedení, transformátor v rozvaděči 230 V/ 12 V, vedení CYKY 2A x 1,5. Bezdrátové zvonky – nemá

vedení, zvonek a napájení osazeno do zásuvky 230 V + zvonkové tlačítko, záleží na dosahu. Zvonky na 230 V – nemá transformátor, vedení CYKY 3C x 1,5.

2. Dorozumívací signalizace

Pro více jak čtyřpodlažní domy, napájení + tlačítko + přístroj domácího telefonu + vedení v trubce + elektrický vrátný + elektrický zámek.

3. Požární signalizace

Dle vyhlášky z roku 2008 musí být požární hlásiči v rodinném domě, ČSN 73 0833

Požární bezpečnost staveb. pro RD do 150 m2 1 ks pro RD nad 150 m2 2 ks

více podlaží (mezonet) 2 ks a více pro byt do 150 m2 1 ks

pro byt nad 150 m2+ více podlaží 2 ks ubytovací zařízení - každý pokoj + úniková cesta stavby sociální péče - každý pokoj + úniková cesta

Pro domovní a bytové účely plně vyhovuje požární snímač – hlásič kouře. Přístroj

není závislý na síťovém napájení a je vybaven výrazně slyšitelnou akustickou signalizací. Požární signalizací není nutné vybavovat všechny bytové části, postačí ji umístit do místností s vyšším nebezpečím požáru (kuchyně, domácí dílny) Ve velkých objektech se používají celé

samostatné signalizační systémy, propojené s prostředky pro samočinné hašení vodou.

Požární signalizace - detektor reaguje na výskyt kouře požárním poplachem, jeho využití je vhodné zejména v obytných částech domů a v prostorách se zvýšeným nebezpečím požáru. Poplachová informace je předávána bezdrátově. Pro lokální varování má snímač

zabudovanou sirénu.

Autonomní hlásič kouře

214

4. Elektronická zabezpečovací signalizace – EZS

Elektrická zabezpečovací signalizace - EZS je soubor přístrojů a detekčních prvků, kterými se akusticky a opticky signalizuje nebezpečná situace z hlediska neoprávněného vniknutí

pachatele. U zabezpečovacích systémů se pro zajištění používají detektory pohybu, detektory tříště ní skla a otřesové detektory. Jejich úkolem je signalizovat pohyb člověka nebo důsledky jeho

činnosti směřující proti chráněnému zájmu, tedy zabezpečení objektů. Tyto EZS detektory jsou napojeny na ústřednu, která se ovládá mikroprocesorem a signalizuje stav buď místně na

sirénu, nebo mobilní telefon.

Sestava bezdrátového EZS

5. Rozvody kabelové televize, satelitní televize, počítačové sítě , regulace vytápění,

rozvody pro hifi techniku a další

Řídí se vždy příslušnými normami a předpisy a přizpůsobuje se místním podmínkám a specifickým požadavkům zákazníka.

12 Optoelektronika

V současné době jsou metalické (tj. zejména měděné) UTP a STP kabely nejrozšířenějším médiem přenosu v počítačových sítích. Tyto kabely se však již příchodem 10 Gbps rychlostí blíží maximu svých možností. Mezi jejich další nevýhody také patří relativně

krátký dosah bez zapojeného aktivního prvku na trase a fakt, že pokud se u těchto kabelů má dosáhnout kvalitního přenosu, pak na množství v nich obsažené mědí se nesmí šetřit a měď

dnes rozhodně nepatří mezi levné suroviny. Větších přenosových rychlostí lze teoreticky dosáhnout na koaxiální kabelech avšak

tyto rychlosti se ani zdaleka nepřibližují rychlostem, které lze dosáhnout pomocí optických

kabelů. Dodnes si nikdo netroufá odhadnout, jakých teoretických rychlostí lze na optických vláknech dosáhnout, jelikož tato technologie jde stále kupředu a možnosti se neustále zvyšují.

Základním rozdílem mezi metalickými a optickými kabely je, že u metalických kabelů jsou data přenášena za využití elektrických signálů, zatímco v optických kabelech je signál přenášen světelnými impulzy.

12.1 Přenos světla optickým vláknem

Přenos dat v optickém vlákně se děje šířením světla v optickém vlnovodu. Princip

vedení světla je jednoduchý - světelný paprsek dopadá na rozhraní dvou prostředí s rozdílnou

215

optickou hustotou a tedy s rozdílným indexem lomu, kde se zčásti láme a prostupuje

z jednoho prostředí do druhého, a z části se odráží a vrací se zpět do prostředí, ze kterého přichází. Nakolik se paprsek odrazí zpět do prostředí, ze kterého pochází, záleží na úhlu,

ve kterém paprsek do vlnovodu přichází. Pro každé optické rozhraní však existuje mezní úhel

odrazu. Pokud světlo dopadá pod tímto (nebo menším úhlem), dochází k tzv. totálnímu

odrazu, kdy se 100% světla odráží a neopouští prostředí, ze kterého přichází. Právě tento

princip "vnitřních odrazů" využívají optická vlákna.

Běžné optické vlákno se skládá ze tří základních částí:

Jádro (core)Jedná se o nejdůležitější prvek vlákna určený pro vlastní přenos dat. Průměr

jádra závisí na typu kabelu. Standardními rozměry jsou 9, 50 a 62,5µm.

Obal jádra (cladding)tato část má za úkol ochranu a zpevnění jádra.Spolu s jádrem má průměr 125µm.

Primární ochrana (buffer)jedná se o vrstvu, která slouží k prvotní ochraně optického vlákna

od nepříznivých účinků okolního prostředí. Vrstva je nejčastěji tvořena tvrzeným akrylátovým lakem a spolu s jádrem a obalem

jádra má průměr 250µm Vlákno může být dále chráněno sekundární ochranou tvořenou z plastických hmot

zvyšující průměr na 900µm. Na tuto vrstvu pak dále navazují další vrstvy, které vlákno chrání zejména proti mechanickému namáhání, případně chemickému působení okolí.

12.2 Útlum optického vlákna

Přestože optická vlákna jsou velmi vhodná pro dálkový přenos dat, tak i u nich

dochází k určitému útlumu, který je způsoben následujícími vlivy a udává se dB/km:

a) Vlastní absorbce Jedná se o útlum na molekulách materiálu optického vlákna. Tento útlum závisí na vlnové

délce přenášeného světla. U optických vláken jsou definována tzv. okna, což jsou vlnové

délky, které při šíření v optickém kabelu vykazují nejmenší útlum. Z tohoto důvodu se pro přenos prakticky používají v současné době následující vlnové délky:

850nm, která se používá u tzv. multimode vláken (více o single- a multimode v další části),

1310nm používá se u singlemode vláken a multimode vláken,

1550nm používá se u singlemode vláken. b) Nevlastní absorpce - útlum je způsoben nečistotami v optickém vlákně

c) Lineární rozptyl - tento útlum je způsoben ne zcela přesným a rovnoměrným oddělením jádra a obalu. d) Nelineární rozptyl - k útlumu dochází při změně vlnové délky záření

216

e) Ztráty ohybu - každý ohyb optických vláken působí nepříznivě na šíření světla, zejména

milimetrové mikroohyby u singlemode vláken. g) Ztráty při spojování na konektorech - v případě špatného napojení vlákna na konektor

dochází ke značným ztrátám. Proto je nutné konektory s vláknem spojovat co nejprecizněji. Poznámka: Útlum kvalitních křemíkových vláken jsou pouhé desetiny dB/km. Plastová vlákna mají útlum dva

řády vyšší, až 50-100 dB/km.

A. Mnohavidová vlákna (MM, multimode)

Pro mnohavidová vlákna se používají optické kabely s průměrem jádra 50 a 62,5µm V současné době je typickou vlnovou délkou těchto vláken 850nm pro gigabitové

aktivní prvky a 1310nm pro 100Mbitové aktivní prvky. Technologie používající mnohavidová vlákna je relativně levná, na čemž se podílí jak

samotná vlákna, tak i generátory a detektory světla. U mnohavidových vláken lze jako generátor použít např. LED. Generátor světla vytváří světelné impulsy, které tvoří několik

paprsků - tzv. vidů. Z toho plyne název mnohavidových vláken. Tyto paprsky (vidy) se

odráží od obalu jádra v různých úhlech – v různých dráhách. K detektoru však doráží jednotlivé vidy s určitým zpožděním mezi sebou, což se nazývá vidovou disperzí. Tato

disperze má za následek zkreslení signálu a týká se zejména mnohavidových vláken se skokovou změnou indexu lomu. Jelikož toto zkreslení s délkou vlákna narůstá, používají se mnohavidová vlákna zhruba na vzdálenost do 2 km.

Mnohavidová vlákna s plynulou změnou indexu lomu jsou tvořena z tenkých vrstev,

které se liší indexem lomu. Čím je paprsek dál od osy jádra, tím je index lomu menší a postupně se paprsek "vrací zpět" do středu jádra.

Tyto vlákna tedy netrpí vidovou disperzí a vyslané paprsky dorazí ke konci vlákna

zhruba ve stejné časové okamžiky. Typický útlum těchto vláken je 2 až 10 db/km při vlnové

délce 850nm. Mnohavidová vlákna se nejčastěji používají u LAN sítí. Vzhledem k tlustšímu jádru

optického kabelu se lépe na vlákno připevňují konektory.

B. Jednovidová vlákna (SM, singlmode)

Pro jednovidová vlákna se používají optické kabely s průměrem jádra pouhých 9µm

(průměr vlasu 70µm). Typickými vlnovými délkami jsou v současné době 1310nm a 1550nm. Signál je tvořen jedním videm (paprskem), který se šíří podél osy jádra a odráží

se při ohybu.

217

Pro generování a detekci světla u jednovidových vláken je zapotřebí kvalitnějších

a tedy i dražších zařízení. Jako generátory jsou zde používány zejména polovodičové lasery. Jednovidová vlákna využívají skokový index lomu a jejich útlum je při vlnové délce typicky

0,35 dB/km při vlnové délce 1310nm a 0,2 dB/km při vlnové délce 1550nm. P oužití jednovidových vláken je vhodné na dlouhé trasy cca 10 km a vysoké přenosové rychlosti (nebo kde je předpoklad, že je bude třeba v budoucnosti navyšovat.

12.3 WDM – vlnový multiplex

Obecně jsou optická vlákna určena pro jednosměrný přenos. Pro obousměrnou trasu je tedy nutné mít alespoň 2 vlákna. Jedno pro příjem a druhé pro vysílání. Toto omezení však padlo s nástupem technologie vlnového multiplexu WDM (Wavelength-division

multiplexing). Tato technologie by se dala přirovnat k frekvenčnímu multiplexu, kdy pro jednotlivé

přenosy jsou využívané různé frekvence. V případě technologie WDM, jsou jednotlivé přenosy realizovány světlem o různých vlnových délkách, tedy různých "barvách". Technologie WDM se využívá právě u jednovidových vláken, kdy pro příjem/vysílání je

použita vlnová délka 1550nm a vysílání/příjem vlnová délka 1310nm. Technologie WDM je neustále ve vývoji a jako technologie, které z ní vzešly, lze

označit: WWDM, CWDM a DWDM - kdy je pro přenos využito více vlnových délek, což umožňuje zvýšit propustnost vlákna.

Vlákna jsou umísťována do optických kabelů. V optickém kabelu může být i 144

vláken, častěji se však u multimode spojů používají kabely s menším počtem vláken.

Kabel pro složité optické rozvody může obsahovat desítky až stovky vláken.

Samonosný kabel pro vedení optiky "vzduchem" (np. mezi objekty).

218

Vyztužený (armored) kabel se používá tam, kde hrozí mechanické poškození.

Hybridní kabel s metalickým vedením (np. pro napájení komponent).

Případně obsahující jak jedno- tak mnohovidová vlákna.

12.4 Pigtaily

Optický "pigtail" je část optického vlákna s připojeným konektorem. Pigtail se spojuje přímo s optickým vláknem a konektor se upevní do optické vany. Výhodou připravených pigtailů je

snazší spojování s optickým vláknem v terénu než "konektorování" přímo na vyvedený optický kabel.

219

12.5 Konektory

Typů konektorů je velké množství avšak, v současné době se používají pro sítě LAN a WAN

nejčastěji konektory typů SC a LC (běžně se lze také setkat z "bajonetovými" ST konektory). SC konektory se často používají v media konvertorech viz další část článku.

220

SC konektor v provedení simplex

LC konektory jsou rozměrově menší a jsou časté v MiniGBIC modulech viz dále. Konektory mohou být samostatně jako simplexní nebo v páru duplexní.

LC konektor v provedení duplex (dvě vlákna)

12.6 Patch Cordy a další příslušenství

Patch cordy (vyslovuje se "pečkord") jsou optické kabely o různých délkách v

provedení simplex (jedno vlákno) nebo duplex (dvě vlákna) s připevněnými konektory (pro obousměrnou komunikaci bez využití WDM). Dále se liší v požitých konektorech. Buď jsou

na obou stranách stejné typy nebo rozdílné. Patch Cordy slouží (podobně jako hotové UTP kabely) zejména pro propojení

optických prvků na krátké vzdálenosti, typicky do 5 m, například pro propojení aktivních

prvků nebo konektoru pigtailu s media konvertorem.

221

Patch cord s duplexními konektory SC/LC

12.7 Optické skříně, rozvaděče, vany a kazety

Používají se na zakončování optických tras. Optické vany a skříně slouží k

bezpečnému uchování zbytku optického vlákna a obsahují i napojený pigtail pro spojení s Patch cordem.

Optická vana do racku 1U

Spojování vláken se provádí nejčastěji svářečkou nebo spojkami. Propojovat se mohou buď přímo vlákna nebo vlákno a pigtail (což je vlákno s konektorem). Svářečka je

222

nákladnější na pořízení, ale v případě častého používání spoj vyjde levněni než za použití

gelových spojek.

Mezi spojkami v současné době velkého boomu dosahuje systém FibrLok II od firmy 3M.

FibrLok II

Systém Fibrlok II umožňuje spojovat optická vlákna bez potřeby sváření. Pro spojení vlákna je potřeba:

vlastní spojka Fibrlok 2529 v provedení pro 250µm i 900µm vlákna, tzv. Lamačka optických vláken, Montážní sada

223

Kompletní souprava 3M Fibrlok II

Instruktážní video FibrLoku je zde:

224

12.8 Svařování

Firmy specializující se na optiku využívají procesorem řízené svářečky (zde FITEL fy Furukawa)...

Pokud jsou vlákna svařována je nutné sváry optických vláken chránit pomocí smrštitelných bužírek. Spojená vlákna se pak umísťují do optických kazet, které mou být dále

umístěné např. v zemních optických spojkách nebo rackových rozvaděčích (optických vanách) a nástěnných skříních.

Spojování vláken a konektorů musí být velmi precizní, aby na každém spoji došlo k co

nejmenšímu útlumu. Vlastní spojování se může také provádět speciálním lepením. Veškerá manipulace s optickými vlákny musí být za suchého počasí, jelikož optická vlákna jsou

náchylná na vlhkost. Pokud jsou vlákna již s konektory, mohou se spojovat konektorovými spojkami, které

jsou nejčastěji v provedení duplex.

12.9 Instalace optických kabelů

Optické kabely se nejčastěji vedou v zemi v ochranných trubkách. Vlastní kabel lze do

trubky pak umístit:

zafukování pomocí kompresoru - max. 1 km, zatahování - vnitřní strana trubky musí klouzat. Zde je však nebezpečí mechanického

poškození.

225

Optická vlákna lze bezpečně (mají nevodivé jádro) vést i vzduchem, a to v ochranných

trubičkách s lankem nebo lze použít samonosné kabely.

Media konvertory - nejjednodušší způsob

Media konvertory patří mezi aktivní prvky, které mění typ signálu - tzv. „převodníky

médií“, kde je signál převeden na jiný typ signálu, aniž by se datově změnil. Ve většině případů se tedy jedná o převodníky kde vstupem/výstupem je optické vlákno ať již

singlemode, multimode a výstupem/vstupem je 1000/100/10 Mbps ethernet se standardním konektorem RJ45 připojitelným na UTP/STP metalickou kabeláž.

Media konvertory jsou typu PnP a ihned po zapojení bez dalších konfigurace mění typ signálu.

Jako gigabitové převodníky lze použít TP-LINK MC200CM pro multimode vlákna

nebo MC210CS pro singlemode vlákna. 100Mbitové varianty TP-LINK media konvertorů jsou typy MC100CM pro multimode vlákna a TR-962D pro singlemode vlákna.

Pokud nevyužíváte WDM budete muset vést optiku v párech (příjem + vysílání).

WDM převodníky jsou proti sobě v páru, kde jeden vysílá na vlnové délce 1310nm a přijímá na 1550nm a druhý vysílá na 1550nm a přijímá na 1310nm.

Příkladem jsou gigabitové převodníky: TP-LINK MC-212CS a MC211CS.

226

Zajímavým řešením je také WDM bridge media konvertor, například TR-966D,

který je možné zařadit na trasu optického vlákna a vytvořit odbočku na UTP kabel.

MiniGBIC moduly

Tyto zásuvné moduly se používají jako upgrade např. do některých průmyslových

ethernetových switchů. Lze tak přímo propojit switch pomocí patch cord kabelu s optickou vanou bez použití media konvertoru.

Pozor: rozměry a komunikace MiniGBIC modulů jsou sice standardizované, ale pro zajištění bezproblémové kompatibility je nutné používat MiniGBIC moduly stejné značky jako switche.

227

Tak jako media konvertory i Mini GBIC jsou rozdělené dle používaných vláken

na singlemode (jednovidové) a multimode (vícevidové). Vedle těchto aktivních prvků lze ještě hovořit o tzv. čistě optických prvcích, kde je

celý přenos a zpracování signálu prováděno optickou cestou. Vzhledem k faktu, že pro potřeby 10 Gb ethernetu je nutné již vyměnit stávající UTP

kabely Cat5e za kvalitnější Cat6, je vhodné při výměně kabelů položit rovnou optické.

Pro optická vlákna samozřejmě není problém přenést 10 gigabitů a z tohoto důvodu pro potřeby 10 Gb ethernetu přes optická vlákna definovala Skupina 802.3ae Task Force 4

tyto typy optických transceiverů pro různé vlnové délky:

Označení pro vlákna s průměrem

jádra[µm]

na

délku[m]

850nm Serial 10GBASE-S multimode 50,0 65

1310nm CWDM 10GBASE-LX4

multimode 62,5 300

1310nm CWDM 10GBASE-

LX4 singlemode 9,0 10 000

1310nm Serial 10GBASE-L singlemode 9,0 10 000

1550nm Serial 10GBASE-E singlemode 9,0 40 000

12.10 Výhody optických vláken

Oproti metalickým kabelům mají optické sítě následující výhody:

Velká šířka pásma - optické nosné vlny odpovídají frekvencím 1013-1016 Hz z čehož plyne obrovský potenciál přenášených rychlostí - přenosové pásmo je možné

v některých případech zvětšovat na již položeném kabelu dodatečně (nasazením nových technologii),

Nízký útlum - přenos na velké vzdálenosti bez nutnosti aktivních "opakovačů", Odolnost proti elektromagnetické interferenci - u optických vláken neexistují

přeslechy a díky použité technologii lze použít v silně zarušeném elektromagnetickém

prostředí,

228

Bezpečnost přenosu - přenášené světlo nevyzařuje do okolí, těžko se dá vyvázat

a v případě vyvázání dojde k poklesu signálu na koncovém zařízení a to tak může vyvázání detekovat,

Dostupnost výroby vláken - vlákna se vyrábějí z křemíku, který není strategickou surovinou, jelikož je ho všude dostatek,

Přenos na velké vzdálenosti - vzhledem k nízkému útlumu je možný dosah desítky

km bez zapojení aktivních prvků, tak jako je tomu u metalických sítí. S rozvojem nových optických technologií se dále vzdálenosti mohou zvyšovat,

Menší průměr a nižší hmotnost kabelů.

Použité zdroje Literatura: KLAUS, Tkotz a kol., 2006. Příručka pro elektrotechnika. Praha: Europa-Sobotáles cz.

ISBN 80-86706-13-3 VOŽENÍLEK, Ladislav, ŘEŠÁTKO, Miloš, 1986. Základy elektrotechniky 1. Praha: SNTL

Přenosová soustava, dostupné z: http://www.gvp.cz/~vondrackova/Fyzika/3.E-%20refer%C3%A1ty%20-elektromagnetismus/03-P%C5%99enosov%C3%A1%20soustava%20energetiky-Bed%C5%99ich09.pdf

ŘÍHA, Josef, 1990. Elektrické stroje a přístroje, 3. vydání, SNTL BESTIAN, Peter, 2006. Praktická elektrotechnika. 2. upr. vyd. Praha: Europa-Sobotáles, 303

s. ISBN 80-867-0615-X. Obrázky:

Přenosová soustava, dostupné z: http://www.geocaching.com/seek/cache_details.aspx?guid=8ecf8f22-8da7-4811-9d12-

24dbe7b85043 Trojfázový generátor, dostupné z: http://www.ddp.fmph.uniba.sk/~koubek/UT_html/G3/kap4/gym3_4.htm

Trojfázový proud, dostupné z: http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=fyzika&xser=456c656b74f8696e

612061206d61676e657469736d7573h&key=496 Transformátor, dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Transformer3d_col3_cs.svg Závit v magnetickém poli, dostupné z: http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/3-

2.htm Schéma palivového článku, dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Fuell_cell.jpg

Logické obvody, dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Logick%C3%BD_%C4%8Dlen