Rezistory, kondenzátory, cívkyRezistory

- pasivní součástka lineární frekvenčně nezávisláVlastnosti – základním parametrem je elektrický odpor a vyjadřuje se velikost překážky, kterou součástka klade procházejícímu elektrickému proudu. Jednotkou jsou Ω (ohmy)Druhy a) Pevné 1) Drátové - vyrábějí se navinutím odporového drátu na keramické tělísko

2) Vrstvové – na keramickém tělísku je nanesena uhlíková vrstvab) Pohyblivé 1) Potenciometry – jsou otočné a posuvné – může s nimi manipulovat uživatel

2) Trimri – může s nimi manipulovat pouze technikPotenciometry se provádí v podobě N – lineární G – logaritmické E – exponenciálním

Rezistory určeny několika parametry:1)Jmenovitý odpor - jednotkou jsou Ω (ohmy) – používají se řady E6 – E962)Zatížení – jednotkou jsou W (watty) – používá se základní řada 0,125-0,25-0,5-1,2-6-103)Tolerance - uvádí se v procentech ±20% , ±10% , ±5% , ±2% , ±1% , ±0,5%4)Největší dovolené provozní napětí – napětí, ktré se nesmí překročit, jinak dojde ke zničení součástky5)Teplotní součinitel odporu – určuje změnu odporu rezistoru způsobenou změnou teploty6)Šumové napětí – vzniká vlivem nerovnoměrného pohybu elektronů, projevuje se malými, časově

nepravidelnými změnami potencionálu.

Značení rezistoru – hodnota, barevný kód, číselný kód

Kondenzátory- pasivní součástka lineární frekvenčně nezávislá

Hlavní parametry: kapacity, tolerance, jmenovité napětí, izolační odpor, ztrátový činitelIdeální kondenzátor má jen kapacitu a posouvá proud o 90º před napětí. V elektronice se kondenzátory používají k oddělení stejnosměrné složky v rezonančních obvodech. V korekčních obvodech se užívají jako filtrační členy.

Podle konstrukce kondenzátory dělíme na a) pevné – dvě kovové elektrody oddělené tenkou vrstvou izolantub)proměnné – kapacita se v určitém rozsahu mění

Druhy : a) papírové dielektrikummetalizované dielektrikums plastickou fóliíslídové dielektrikum

b) keramické dielektrikumelektrolitické dielektrikumtantalové dielektrikum

Ztrátový činitel tgδ – ztráty energie v kondenzátoru jsou způsobeny vlastnostmi dielektrika a svodem mezi elektrodami. Tgδ lze určovat v fázových diagramech a náhradního obvodu, kde ztráty vyjádříme ztrátovým odporem r2 připojeným paralelně či sériově k ideálnímu kondenzátoru. Ztrátový činitel je frekvenčně závislý.Značení- provádí se podobně jako u rezistorů . Základní jednotkou je 1pF

CívkyCívka je součástka zhotovená navinutím vidiče v jedné nebo více vrstvách na jádře. Je to dvojpól lineárně frekvenčně závislá. Cívkou získáme potřebnou indukčnost L a jednotkou jsou H. Indukčnost je závislá na počtu závitů a na materiálu jádra. Ideální cívka posouvá napětí o 90º před proud ve střídavých obvodech.Provedení cívek :Bez jádra – řádově μH, využívá se v obvodech s frekvencemi v MHzS jádrem – podle druhu jádra dosahují indukčnosti až 100mH nebo 10H (tlumivky)Jádra jsou z magneticky vodivého materiálu s malými hysterézními ztrátami.

VF cívky – používají šroubovaná jádraNF tlumivky – jádro z magnetického obvodu, používají se pro frekvence 50Hz

Rozdělení cívek:

1) dle použití a) cívky pro ladící obvody a filtryb) tlumivky NF a VF které brání průchodu střídavého proudu

2) dle magnetické permeability a) vzduchovéb) s magnetickým jádremc) s uzavřeným magnetickým obvodem

3) dle druhu vynutí a) vynutí vrstvovéb) křížové vynutíc) vynutí pyramidovéd) vynutí v sekcích

Činitel jakosti Q je veličina frekvenčně závislá. Velký činitel jakosti znamená, že cívka bude mít malé ztráty, které způsobuje ohmický odpor vynutí, vířivé proudy povrchový jev neboli skin efekt. Čím vyšší frekvence, tím více se tlačí na povrch.

Dvojpól a čtyřpól

Dvojpól - je součástka, která je do obvodu připojena dvěma svorkami z energetického hlediska je dělíme na aktivní <působí v obvodu jako zdroj> pasivní <obsahuje pouze pasivní součástky (odpor, kondenzátor, cívka) , které se chovají jako spotřebič>.

Podle závislosti mezi obvodovými veličinami <napětí, proud, impedance> dělíme je na lineární a nelineární <aby se dvojpól stal nelineárním stačí aby v něm působil, jeden nelineární prvek>.

Dvojpóly lze mezi sebou spojovat sériově, paralelně, nebo smíšeně.

V elektronických obvodech se často vyskytuje zapojení kdy spojíme nelineární dvojpól s lineárním prvkem a stejnosměrným zdrojem a sledujeme pracovní bod, kterým je určen napětím a proudem.

Pracovní bod zjistíme jako průsečík ve V-A charakteristice nelineárního dvojpólu se zatěžovací přímkou.

Čtyřpóly - jsou obvody, které mají čtyři svorky. Dvě svorky vstupní a dvě výstupní.- jsou-li čtyřpóly osazeny lineárními součástkami, hovoříme o lineárním čtyřpólu, podobně to bude

s nelineárními součástkami.- z energetického hlediska je dělíme na aktivní <působí v obvodu jako zdroj> pasivní <obsahuje

pouze pasivní součástky (odpor, kondenzátor, cívka) , které se chovají jako spotřebič>.- vlastnosti čtyřpólu popisují charakteristické rovnice případně charakteristiky.- používáme rovnice impedančního tvaru

U1=Z1 * I1 + Z2 * I2

nebo admitančního tvaruI2 =Y1 * U1 + Y2 * U2

Charakteristiky čtyřpólu zakreslujeme do souřadnicového systému se čtyřmi kvadranty. V prvním kvadrantu je charakteristika výstupní, ve druhém kvadrantu převodní, ve třetím kvadrantu vstupní a ve čtvrtém kvadrantu převodní zpětná.

Polovodiče (bez přechodu, s   přechody) Bez přechoduDo této skupiny řadíme součástky jejichž vlastnosti se mění fyzikálním působením okolí z pravidla se mění odpor s teplotou, osvětlením, přiloženým napětím, elektrickým nebo magnetickým polem. Protože neobsahují přechod PN nevykazují jednosměrnou vodivost a proud jimi protéká stejně oběma směry.

1) Termistor součástka jejíž elektrický odpor se mění s teplotou. Základním materiálem pro výrobu jsou oxidové polovodičové materiály. Používají se jako čidla pro měření teplot, pro stabilizaci pracovních podmínek polovodičů.

2) Fotorezistor jsou součástky, které mění odpor s osvětlením. Např. selen při osvětlení uvolňuje elektrony které neemitují zůstávají uvnitř hmoty a tím se zmenšuje odpor součástky.

3) Fotoelektrický článek vložíme pod fotorezistor destičku z mědi budou uvolněné elektrody při osvětlení procházet do mědi a vznikne fotoelektrický článek

4) Varistor -je polovodičová součástka, u které odpor závisí na přiloženém napětí.-používá se jako ochrana proti přepětí nebo jako prvek stabilizující napětí-(karbid křemíku)

4) Hallův článek ke své činnosti využívá hallova jevu – prochází-li stejnosměrné elektrický proud plochým vodičem umístěným v magnetickém poli vzniká ve směru kolmém k tomuto poli malé hallovo napětí, jako výsledek působení magnetického pole na pohybující se nosiče elektrického proudu. U polovodičů je hallův jev ještě výraznější než u kovů.Použití: měření magnetických veličin, velkých proudů při bezkontaktním spínání.

S jedním přechodem1) Dioda je polovodičová součástka s jedním přechodem PN. Ke své činnosti využívá přechod jako

záklopku, která brání pohybu nosičů náboje je-li dioda polarizována nepropustně. Naopak v propustném směru se potenciálová bariéra malým napětím naruší, dioda má nepatrný odpor a proud snadno prochází.

Druhy diodpodle materiálu je dělíme na – germaniové

křemíkovépodle provedení jsou diody - hrotové

plošnéspeciální

podle použití – usměrňovacístabilizační

1) Stabilizační dioda (Zenerova) je křemíková dioda s tenkým přechodem PN s typickou charakteristikou. Při dosažení zenerova proudu při téměř stálém napětí. Používá se při stabilizaci napětí.

2) Kapacitní dioda (Varikap) je speciální dioda u které kapacita závisí na přiloženém napětí v závěrném směru. Používá se k ladění rezonančních obvodů.

3) Svítivá dioda (LED) průchodem proudu emitují tyto diody světelné záření

S více přechodyTranzistor je polovodičový prvek se dvěma přechody PN, které jsou schopný zesilovat signály, generovat signály, spínat obvody a realizovat logické funkce.

Dělíme je na –Bipolární využívají oba druhy nosičů elektrického náboje tj. elektrony i kladné díry.Střední vrstva tranzistoru je vyvedena na elektrodu báze a používá se k ovládání. Krajní vrstvy nazýváme emitor a kolektor, které tvoří hlavní elektrody tranzistorů.

Unipolární využívají jen jednoho druhu, buď elektrony, nebo kladné díry.Tyto tranzistory využívají ke změně vodivosti elektrostatické pole, to mění vodivost kanálu mezi kolektorem a emitorem. Ovládací prvek gate (hradlo) je od kanálu oddělen izolujícím oxidem křemičitým.

MOS-FET - tranzistory řízené elektrickým polemJsou to moderní tranzistory používané v integrovaných obvodech, k řízení proudu mezi emitorem a kolektorem se využívá elektrostatické pole tím se mění vodivost tzn. kanálu mezi emitorem a kolektorem (čím vyšší napětí přivedeme na hradlo, tím se kanál více otevře a tranzistor bude vodivější).

Tyristor

Tyristor má tři stavy –a) Blokovací – anoda je kladnější než katoda, řídící proud je nula.b) Propustný – anoda je kladnější než katoda, ale na řídící elektrodě je příslušný proud. Nebo je Ig = 0 a

mezi anodou a katodou je napětí vyšší než Ub = 0c) Nepropustný – anoda je zápornější než katoda.

- Vodivost způsobí průraz druhého přechodu, který však tyristor nezničí.- V sepnutém stavu tyristor setrvá tak dlouho dokud proud neklesne pod hodnotu IH to je tzv.

vratný proud, nebo při přechodu napětí do záporného směru.

Mezi prvky s více přechody patří tyristory a triaky.

H parametryTzv. hybridní rovnice udávají závislost mezi výstupním napětím a vstupním proudem na straně jedné a výstupním proudem a vstupním napětím na straně druhé. V těchto rovnicích jsou vždy dvě z obvodových veličin nezávisle proměnné a dvě závisle proměnné.Zvolíme-li jako nezávisle proměnnou veličinu vstupní proud I1 a výstupní napětí U2 bude mít obecný zápis charakteristických rovnic tvar

U1=h11 * ΔI1 + h12 * ΔU2

I2 =h21 * ΔI1 + h22 * ΔU2

Vstupní impedance při výstupu na krátkoh11 = ΔU1 / ΔI1 při U2 = konst.Zpětný napěťový činitel při vstupu na prázdnoh12 = ΔU1 / ΔU2 při I1 = konst.Proudový zesilovací činitel při výstupu na krátkoh21 = ΔI1 / ΔI2 při U2 = konst.Výstupní admitance při vstupu na prázdnoh22 = ΔI2 / ΔU2 při I1 = konst.

Reaktanční čtyřpóly (dolnopropustný a hornopropustný filtr,pásmová propusť a zádrž)Pasivní čtyřpól – filtr – je prvek, který v určité frekvenční oblasti přenáší signál s nepatrným tlumením a mimo tuto oblast signál značně tlumí.

Podle rozložení frekvenční oblasti ve které je signál málo tlumen dělíme čtyřpóly na :1) Dolnopropustný filtry2) Hornopropustný filtry3) Pásmová propusti4) Pásmová zádrže

Frekvenční charakteristika D. F.Napěťový přenos těchto filtrů lze odvodit z poměru reaktancí, na které působí vstupní a výstupní napětí.

I --------

U2 JCAU = --- = -----------

U1 I --------R+JC

1)Dolnopropustný filtr

2)Hornopropustný filtr

3)Pásmová propusť

Nejpoužívanější pásmovou propustí je Wienův článek. Maximum přenosu má pouze při jedné frekvenci, která se nazývá kritická. Při jiných frekvencích nižších se napěťový přenos zhoršuje takže článek vykazuje selektivní vlastnosti.

4)Pásmová zádrž

Pásmová zádrž typu přemostěného téčlánku je vlastně obdoba pásmové propusti kde v podelné větvi je paralelní obvod a v příčném směru sériový obvod.V průběhu útlumové charakteristiky je napěťový přenos nejmenší při kritické frekvenci f0 při čemž signál prochází od vstupu na výstup dvěma fázně rozdílnými cestami. V důsledku toho při kritické frekvenci vzniká nulový nebo minimální přenos.-Zádrže se používají jako korekční články v širokopásmových tónových generátorech.

UsměrňovačeJako zdroje stejnosměrného, vyhlazeného a stabilizovaného napětí používáme pro elektrická zařízení.Blokové schéma

Transformátorp-převod (transformační poměr) U1 N1 I2

p = ----- = ----- = ----- U2 N2 I1

UsměrňovačPodle počtu fází a) jednofázové

b) trojfázovéPodle počtu usměrněných cest a) jednocestný

b) dvoucestný

Jednofázový jednocestný usměrňovač (bez vyhlazovacího kondenzátoru)

Proud do zátěže prochází když anoda diody kladnější něž katoda (je propustná). Zátěží prochází stejnosměrný pulzující proud.

Jednofázový jednocestný usměrňovač (s vyhlazovacím kondenzátorem)

Připojíme-li na výstupní svorky vyhlazovací kondenzátor změní se výrazně průběh pulzujícího napětí, ale bude se zvětšovat proudové zatížení diody.Činnost:Průchodem proudu diodou se nabíjí kondenzátor a to v té části periody, kdy napětí na transformátoru (anodě) je větší, než napětí na kondenzátoru (katodě). Tento úsek se nazývá úhel otevření (řecké písmeno psí) v době, kdy dioda nevede se vybíjí kondenzátor do zátěže.Zvlnění je hodnota napětí Uzv mezi maximálním napětím a minimálním napětím na svorkách. Bude-li usměrňovač pracovat na prázdno, dosáhne výstupní napětí Ud maximálního napětí sin průběhu Ud = Uet * √2

Jednofázový dvoucestný usměrňovač (bez vyhlazovacího kondenzátoru)Uzlové zapojení –

V uzlovém zapojení musí mít transformátor vyvedený střed sekundárního vinutí. Napětí U2 a U2´ jsou proti sobě posunuta o 180°. Proud střídavě prochází D1 a D2 a v každé půlvlně je jedna z diod uzavřena. Proti jednocestnému usměrňovači, mají půlvlny dvojnásobnou frekvenci a zvlnění je přibližně poloviční. Vzhledem k tomu, že napětí na kondenzátoru se sčítá s napětím na diodě v závěrném směru, jsou diody při chodu na prázdno namáhány ve zpětném směru dvojnásobným napětím 2xU2

Jednofázový dvoucestný usměrňovač (s vyhlazovacím kondenzátorem)

Graetzův můstek –

Průběhy napětí u dvoucestného usměrňovače v můstkovém zapojení jsou stejné, diody jsou namáhány polovičním napětím v závěrném směru, jelikož jsou vždy dvě a dvě v sérii.

Trojfázový usměrňovač

Řízený usměrňovač

Nejčastěji se používá tzv. fázové řízení, kdy posuneme řídící impuls, na řídící elektrodu tyristoru o úhel Tyristor se otevře později a střední hodnota usměrněného napětí se zmenší.Střední hodnotu určujeme z výšky obdélníka, který má stejnou základnu jako uvažovaná plocha periody.

Vyhlazovací filtryUsměrněné napětí s použitím vyhlazovacího kondenzátoru částečně odstraní zvlnění, ale pro elektronické obvody to z pravidla nestačí a použijeme filtr.

Měřítkem pro posouzení zvlnění je tzv. činitel zvlnění značí se zv Uzv

zv = -------- * 100 [%]Ud

Je-li činitel zvlnění příliš velký zařazuje se na výstup vyhlazovací filtr. Jeho vlastnosti vyjadřuje činitel vyhlazení v

Uzv1

v = ---------Uzv2

FiltryDruhy - Pasivní

Aktivní

Pasivní filtr

Rc filtr je nejednoduší, nejpoužívanější filtr. Činitel vyhlazení určíme ze vztahu v = m**c*Rm……..počet usměrňovacích cest.

Filtr s indukčností je složitější, ale podstatně účinnější. Účinek filtrace narůstá s druhou mocninou frekvence tzn. pro dvoucestné zapojení je stejný filtr čtyřikrát účinnější než pro zapojení jednocestné.

Aktivní filtr

Filtr se skládá s pasivního členu Rc a výkonového tranzistoru s velkým zesílením. Člen Rc udržuje konstantní napětí na bázi jelikož IB je zanedbatelné.Činnost: Zvlněním filtrovaného napětí se mění napětí mezi bází a emitorem a tím se ovládá vnitřní odpor tranzistoru.Vnitřní odpor kolísá v rytmu zvlnění a mění se tak úbytek napětí Uce tak, že na zátěži se zvlnění neprojevuje.

StabilizátoryUdržují konstantní napětí na zátěži. Při kolísajícím napětí zdroje nebo při změnách zatěžovacího proudu.

Druhy - ParametrickýZpětovazebný

Vlastnosti stabilizátorů charakterizuje činitel stabilizaceU1 / U1

K = ------------- Rz = konst.U2 / U2

U1 a U2 – kolísání stejnosměrného napětí na vstupu a výstupu stabilizátoru.

Parametrický stabilizátor

Využívá ke své činnosti vlastnosti nelineárních prvků, kdy při velké změně proudu nastává jen malá změna napětí ( doutnavky, zenerovy diody ).Činnost:Zvýšení napětí U2 způsobí prudký nárůst závěrného proudu diodou. V důsledku toho vznikne na rezistoru Rs zvýšený úbytek napětí, který sníží napětí U2.

Z charakteristiky zenerovy diody vidíme, že při změně vstupního napětí U1 se posune pracovní bod do polohy P´ a napětí U2 se změní pouze o nepatrnou hodnotu U2. Z toho vyplývá, že velká změna napětí na vstupu způsobí jen nepatrnou změnu na výstupu.

Zpětovazebný stabilizátor napětí

Tranzistorový stabilizátor

Zenerova dioda slouží jako zdroj konstantního napětí pro bázi. Je zatížena jen nepatrným proudem báze a proto napětí Uz je velmi stabilní.Poklesne-li výstupní napětí U2, dojde ke změně napětí báze – emitor, tranzistor více otevře. Vznikne na něm menší úbytek napětí a U2 se zvětší. ( Záporná zpětná vazba ).

Složitější stabilizační obvody se realizují např. integrovanými obvody př. MAA 723

Násobiče napětíPotřebujeme-li výší napětí s malým odběrem, použijeme zdvojovače nebo násobiče napětí. Princip spočívá v nabíjení kondenzátorů přes diody. To umožňuje získat dvojnásobné i více násobné napětí napájecího zdroje.

Sériový zdvojovač

Součet napětí nabitého kondenzátoru z první půlvlny a ze sekundárního vinutí transformátoru.Činnost:Je-li na transformátoru kladná půlvlna, je dioda D1 otevřená a nabíjí se přes ní kondenzátor C1 na hodnotu U2max v naznačené polaritě. V průběhu záporné půlvlny se nabíjí kondenzátor C2 přes diodu D2 na napětí součtové z kondenzátoru C1 napětí na sekundárním vinutí transformátoru U2. Tím se na kondenzátoru C2 objeví napětí dvojnásobné velikosti.

Paralelní zdvojovač

Činnost:Využívá obě půlvlny napájecího napětí. Při kladné půlvlně se přes diodu D1 nabíjí kondenzátor C1. Při záporné půlvlně se nabíjí se přes diodu D2 nabíjí kondenzátor C2. Oba kondenzátory jsou zapojeny v sérii, napětí se na nich sčítá. Tento zdvojovač představuje dva jednocestné usměrňovače napájené z jednoho transformátoru.

Kaskádový násobič

Používá se k vícenásobnému zvýšení napětí. Děj v obvodu probíhá postupně. První kladná půlvlna nabije kondenzátor C1 přes diodu D1 na napětí U2max , Záporná půlvlna nabije kondenzátor C2 přes diodu D2 na napětí 2xU2max . Během další půlperiody se nabíjí kondenzátor C3 přes diodu D3 na napětí 3xU2max , a ve čtvrté půlperiodě přes diodu D4 se nabije kondenzátor C4 na napětí 4xU2max .Zapojení dalších stupňů lze dosáhnout napětí řádově KV. Násobiče jsou zdroje velmi měkkého napětí.

Děliče napetía) nezávislé

Výstupní napětí U20 určíme na základě ohmova zákona, že na napětí na odporu je úměrné velikosti odporu.Zatížený dělič bude mít napětí U2 vždy menší než U20 o úbytek na vnitřním odporu děliče.Vnitřní odpor děliče Ri je paralelní kombinace odporu R1 a R2.

b) nezávislé

XL = 2πfLJe-li v děliči rezistor nahrazen prvkem frekvenčně závislím (cívka, kondenzátor ) bude se výstupní napětí U20 řídit podle toho, jestli je reaktanční prvek ve výstupním obvodu, nebo ve vstupním obvodu.

ZesilovačeJsou elektronická zařízení, která zesilují elektrické signály. Zesilovač je čtyřpól, má vstup a výstup a jelikož není zdrojem elektrické energie, potřebuje ke své činnosti zdroj.

Základní parametry zesilovačů jsou - zesílení- nelineární zkreslení- stabilita (odolnost proti rozkmitání)- šířka pásma (frekvenční rozsah, který je zesilovač schopen zesílit)

ZesíleníΔU2 Δ I2 ΔU2 * Δ I2

AU = ------ AI = ------ AP = -------------ΔU1 Δ I1 ΔU1 * Δ I1

Zesílení napětí Zesílení proudové Zesílení výkonové

Zesílení udává kolikrát se příslušný parametr zvětší. Aby zesilovač mohl pracovat, potřebujeme dodat energii. Tato energie pomocná (pro funkci zesilovače nutná) nemá s vlastním signálem nic společného.Další požadavek, aby výstupní signál byl zvětšený obraz vstupního signálu, musí zesilovač pracovat lineárně bez zkreslení.Zkreslení způsobuje nelinearita prvků a nelze ji 100% odstranit.Nelineární zkreslení zvukových zesilovačů bývá v rozmezí 0,1-5%. Zkreslení na 1% lze sluchem rozeznat.Zesilovače třídy HiFi mají povoleno zkreslení 0,5%

Rozdělení zesilovačůPodle frekvence – nízkofrekvenční – zesilují akustické signály (16Hz – 20 000Hz)

- vysokofrekvenční – zesilují jen určité frekvenční pásmo (víc než 20 000Hz)Podle velikosti vstupního signálu

- předzesilovače – zesilují signály malé úrovně (mikrofon, anténa)- výkonové zesilovače (koncové) zesilují signály na požadovaný konečný výkon (před

reproduktorem)Podle šířky přenášeného pásmaUzkopásmové a širokopásmové – šířka pásma je relativní pojem (vztahuje se ke střednímu kmitočtu)Podle pracovní třídyA)

Zesilovače třídy A mají pracovní klidový bod v lineární části charakteristiky. Klidový proud prochází tranzistorem celou dobu trvání signálu. Zesilovače mají malé zkreslení a všeobecné použití.

Zesilovač pracující ve třídě A má pracovní bod umístěný ve středu lineární části charakteristiky. Kolektorový proud prochází po celou dobu periody (úhel vedení je 2π = 360˚)Tyto zesilovače mají minimální zkreslení, ale malou účinnost (asi 40%), používají se v akustických pásmech

B)

Zesilovač pracující ve třídě B má pracovní bod v místě zániku kolektorového proudu, tranzistorem prochází proud pouze v kladné půlperiodě zesilovaného signálu. Úhel vedení je 1π = 180˚)Signál je značně zkreslený. Účinnost je asi 75% Pro akustické signály je nevhodný. Třídu B lze použít v dvojčinném zapojení jako výkonový zesilovač.

C)

Zesilovače pracující ve třídě C mají pracovní bod za místem zániku kolektorového proudu tzn. Že zesiluje pouze vyšší úrovně kladného signálu. Zkreslení je značné, ale účinnost bývá až 90%. Používají se ve vysokofrekvenční technice v oddělovačích a omezovačích.

Zapojení zesilovacích prvkůPodle toho, která elektroda je společná pro vstupní a výstupní obvod rozeznáváme tři základní zapojení.

Se společným emitorem (zesiluje vše)

Přivádíme-li vstupní signál mezi bázi a emitor a výstup je mezi kolektorem a emitorem jedná se o zapojení se společným emitorem. Používá se jako zesilovač.

Charakteristické vlastnostiVstupní odpor (100-1000Ω)Výstupní odpor (10-100KΩ)Proudové zesílení (až 400)Napěťové zesílení (až 100)Výkonové zesílení (až desítky tisíc)Obrací fázi o 180°

Se společným kolektorem (zeslabuje napětí)

Přivádíme-li vstupní signál mezi bázi a kolektor a výstup je mezi kolektorem a emitorem jedná se o zapojení se společným kolektorem. U tohoto zapojení je zesilovač nazýván sledovač.Charakteristické vlastnostiVstupní odpor (až stovky KΩ)Výstupní odpor (100Ω)Proudové zesílení (až 400)Napěťové zesílení (méně než 1)Výkonové zesílení (až 400)Výstupní a vstupní napětí jsou ve fázi.

Se společnou bází (zeslabuje proud)

Báze je společná pro vstupní i výstupní obvod.Charakteristické vlastnostiVstupní odpor (10-100Ω)Výstupní odpor (100K-1MΩ)Proudové zesílení (méně než 1)Napěťové zesílení (10-100)Výstupní a vstupní napětí jsou ve fázi.

Vazby mezi stupni zesilovačeNestačí-li zesílení jednoho prvku použije se zesilovač vícestupňový. Abychom mohli propojit výstup prvního stupně se vstupem dalšího stupně použijeme vazebního prvku.

Přímá vazba

Přímá vazba je spojení výstupu T1 se vstupem T2. Říká se jí též stejnosměrná, protože se používá u zesilovačů jejichž dolní kmitočet se blíží nule.

Transformátorová vazba

Transformátorová vazba dobře přizpůsobuje vstup následujícího stupně výstupu předcházejícího stupně. Výstupní signál (jeho střídavá složka) se transformuje do výstupního vinutí vazebního transformátoru a přivádí

na vstup T2. Převod transformátoru bývá 1/3. Výhoda – obvody jsou galvanicky odděleny. Nevýhoda – větší rozměry, váha a rozptylová indukčnost při vyšších kmitočtech.

Kapacitní vazba

Vazba kondenzátorem odděluje výstup jednoho prvku od vstupu druhého prvku. Propouští pouze střídavou složku zesilovaného signálu a zadržuje složku stejnosměrnou. Výhodou jsou malé rozměry a jednoduchost zapojení.

Nastavení pracovního bodu tranzistoruNízkofrekvenční zesilovače

Zesiluje frekvenční pásmo: tj. 16Hz-20KHz. Nastavuje se do pracovní třídy A. Na vstupní svorky přivedeme zesilovaný signál (mikrofon). Zdroj napětí a zátěž jsou odděleny vazebními kondenzátory CV1, CV2. Klidový pracovní bod je nastaven kolektorovým proudem Ic a kolektorovým napětím Ucm. Proud báze je dán odporem RB

a ve výstupním odporu RC a RE.Zesilovačem prochází stejnosměrný proud a jedná se tak o tzv. statické nastavení pracovního bodu.

Při zesilování si přivedeme na vstup elektrický signál, a ten začne ovlivňovat nastavený pracovní bod a zesilovačem bude procházet proud, který je úměrný přivedenému signálu.

Nastavení pracovního bodu

Pracovní bod leží na určité výstupní charakteristice kondenzátoru (je dána proudem báze). A tzv. zatěžovací přímce. Nastavení proudu báze dosáhneme změnou rezistoru RB.

Činnost: Připojením napájecího zdroje UCE začne obvodem zesilovače procházet stejnosměrný proud a v obvodu naměříme stálá napětí. Kondenzátory mají nekonečný odpor a působí přerušení obvodu.Zdroj signálu a vnější zátěž jsou od zesilovače stejnosměrného proudu odděleny kondenzátory CV1, CV2.

Náhradní schéma jednostupňového zesilovačeObvod určuje nastavení klidového pracovního bodu. Pro kolektorový obvod platí rovnice z Kirhofova zákona.RC * IC + UC + RE * IE – UCE = 0(RC + RE) * IC + UCE = UCC ← Používáme tuto

Grafické znázornění této rovnice v soustavě charakteristik tranzistoru je zatěžovací přímka. Pro její konstrukci potřebujeme dva body.

A) leží na ose Ic = 0 z čehož vyplývá že Uce = Ucc

B) platí že Uce = 0 z čehož vyplývá že (Rc + Re) Ic + 0 = Ucc

Spojení bodu A a B vznikne zatěžovací přímka. Pro správnou činnost zesilovače je potřeba aby pracovní hod byl umístěn ve středu charakteristiky.Přivedeme-li na vstup zesilovač signál začne se poloha pracovního bodu měnit kolem jeho klidové polohy (Směrnicí je opět přímka o jiném sklonu)

Stabilizace pracovního boduKolísání polohy klidového pracovního bodu je nežádoucí jev a proto používáme stabilizační obvody, které kolísání pracovního bodu zamezí. Změnou teploty se mění vodivost polovodiče a pracovní bod, se posunuje po zatěžovací přímce, tím se mění kolektorový proud.

Činnost: Děličem napětí RB1, RB2 je nastaveno napětí UBO hodnota tohoto napětí podle druhého Kirhofova zákona je dána napětím UBE a úbytkem RB * IE . Zvýší-li se proud tranzistorem (v důsledku ohřátí) změní se úbytek na odporu RE a tím se změní i napětí báze, emitor, změní se proud báze, tranzistor přivře a proud I C se vrátí na původní hodnotu.

Stabilizaci lze provést i jinými obvody např. zapojení tranzistoru do děliče napětí nebo zpětovazebním rezistorem.

Výkonové zesilovačeNazývají se též koncové, protože tvoří poslední stupeň zesilovacího řetězce. Jejich úkolem je zesílit signál ze zdroje předzesilovače na požadovaný výkon do zátěže (zátěží bývá z pravidla reproduktor) Výkonové zesilovače mohou být jednočinné, pak pracují v pracovní třídě A nebo dvojčinné, pracující ve třídě B.

Dvojčinný zesilovač

Dvojčinný stupeň pracuje se dvěma tranzistory zapojenými tak, aby se jejich výkony sčítaly. Protože pracuje ve třídě B dosahuje větší účinnosti a malé zkreslení. Úkolem transformátoru je vytvořit dvě napětí vzájemně posunutá o 180˚ (při kladné půlvlně je otevřen tranzistor T1 a při záporné půlvlně T2. Výstupní transformátor oba zesílené průběhy zpět otočí o 180˚ a získá se tak původní tvar přivedeného signálu, který je výkonově zesílen.

Koncový zesilovač bez výstupního transformátoru(s komplementární dvojicí tranzistorů)

Pro toto zapojení potřebujeme dva výkonové tranzistory různého typů vodivosti, ale stejných parametrů tzn. komplementární dvojice. Oba tranzistory jsou buzeny nesouměrně z jednoho bodu. Kladnou půlvlnu signálu zesiluje tranzistor T1 a zápornou půlvlnu tranzistor T2. Zapojení je jednoduché, nepotřebuje drahé transformátory, klade však větší nároky na tranzistory.

Tranzistorový invertor

Vstupní transformátor, který obrací fázi lze nahradit tranzistorovým invertorem. Napětí U 2 a U2´ mají opačnou fázi a otvírají tranzistory stejně jako výstupy z transformátoru. Podobně lze nahradit i výstupní transformátor.

Zapojení koncového zesilovače s IO

Pro výkonové zesílení nízkofrekvenčního signálu se používají integrované obvody. Jejich vnitřní zapojení je složité a obsahuje 16x bipolárních tranzistorů 6x diod 10x rezistorů. Jejich použití v praxi je však jednoduché.

Např. IO MBA 810 dodává při vstupním napětí 60mV výstupní výkon 5W při zátěži RZ =4Ω. Vnější rezistory a kondenzátory mají funkci filtračního nebo chrání proti parazitním frekvencím.

Zpětná vazba

Zpětná vazba u zesilovačů je přenesení části výstupního signálu, zpět na vstup. Zpětná vazba má podstatný vlil na vlastnosti zesilovače. Přenos signálu u zesilovače se zpětnou vazbou rozdělíme na dvě části.Přímý přenos ………… Au= U2/U1

Zpětovazební přenos ………… ß = U0/U2

Au ………… představuje zesílení zesilovače bez zpětné vazby a Au´ představuje zesílení U2/U0 je to zesílení zesilovače se zpětnou vazbou.

Au´=U2/U0

Pro zesílení zesilovače s kladnou zpětnou vazbou Au´ platí vztah Au

Au = --------- → kladná zpětná vazba1-ß*Au

Au

Au´=---------- → záporná zpětná vazba1+ß*Au

Při použití záporné zpětné vazby se zesílení zmenší, ale změní se i zkreslení.

Vliv zpětné vazby na vlastnosti zesilovačůA) Kladná zpětná vazba:Na vstupu se signál zpětovazební a vstupní sčítá, zesílení se zvětší, zkreslení se zvětší, změní se stabilita, což může způsobit rozkmitání zesilovače.B) Záporná zpětná vazba:Signály na vstupu se odečítají, zmenšuje se zesílení, zmenšuje se zkreslení, zlepšuje se stabilita, zvětšuje se rozsah frekvenčního pásma, který je zesilovač schopen zesílit.

Vysokofrekvenční zesilovače (úzkopásmové, širokopásmové)Používají se pro zesilování signálů s frekvencí vyšší než 20KHz. Uplatňují se především ve vysílačích, přijímačích, v komunikačních systémech, v elektronických měřících přístrojích atd.

Vyznačuje se významnou kmitočtovou selektivitou neboť jsou určeny pro zesílení určitých kmitočtových pásem. Podle toho je dělíme na:

a) Úzkopásmové (selektivní)U kterých poměr šířky pásma ke střednímu kmitočtu je menší než 0,1fs

B/ fs<01 fs

b) Širokopásmové (obrazové)Mají šířku pásma B větší než 0,1fs

B/ fs>01 fs např. mezifrekvenční zesilovač v televizoru, který má šířku pásma až 37MHzJako zesilovací prvky se používají tranzistory od nejnižších kmitočtů až po desítky GHzPro oblast velkých výkonů vysokofrekvenčních zesilovačů se stále používají vakuové elektronky.

Úzkopásmové VF zesilovačeJako zátěž těchto zesilovačů, je v kolektorovém obvodu zapojen rezonanční obvod LC. Jeho rezonanční frekvence je naladěna na střed přenášeného pásma fs=fr a těmto zesilovačům říkáme laděné či selektivní.

Vysokofrekvenční zesilovač s jednoduchým rezonančním obvodem

Protože vysokofrekvenční zesilovače zesilují elektrické signály jen v určitém frekvenčním pásmu, využívají vlastnosti rezonančního laděného obvodu, který tvoří zátěž naladěnou na střední frekvenci frekvenčního pásma.Impedance laděného obvodu je veličina frekvenčně závislá, která ve stavu rezonance nabývá maximální hodnoty tzn. že zesílení je největší ve středu pásma a pro nižší a vyšší frekvence zesílení klesá.Šířka pásma je určena poklesem zesílení o –3db na každou stranu od rezonanční frekvence.

Ideální průběh frekvenční charakteristiky by byl obdelníkový. Zvětšováním jakosti laděného obvodu se zmenšuje šířka pásma. Abychom dosáhli výhodnějších průběhů frekvenční charakteristiky, použijeme místo jednoduchého laděného obvodu dva vázané laděné obvody.

Při kritické vazbě mezi laděnými obvody je průběh frekvenční charakteristiky kolem rezonanční charakteristiky plochý a charakteristika má po obou stranách strmý pád. Laděné obvody mají stejnou rezonanční frekvenci.

Širokopásmové zesilovačeJsou takové u kterých je šířka pásma zesilovaných frekvencí větší než u zesilovačů předchozí skupiny. Používají se v měřící technice například v osciloskopech v televizní technice jako obrazové zesilovače s šířkou pásma 6MHz. Rozdělují se ŠPZ s nosnou frekvencí a ŠPZ bez nosné frekvence.

Současné širokopásmové zesilovače určené pro vysokofrekvenční oblast (GHz) bývají v provedení kaskádovém a mezi tranzistory jsou zařazeny reaktanční obvody.Jedno z nejpoužívanějších zapojení je s vysokofrekvenčními hradlovými tranzistory MOS-FET, zátěž je tvořena rezonančními obvody s rozdílným činitelem jakosti Q a rozdílnými rezonančními kmitočty f1 f2 f3.Tento zesilovač se označuje jako rezonančně-laděný.

Používá se jako mezifrekvenční zesilovač u běžných televizních přijímačů u družicové televize jako předzesilovač širokopásmových osciloskopů, čítačů a dalších elektronických měřících přístrojů.

Stejnosměrné zesilovačeSlouží k zesilování signálů velmi malých frekvencí řádově jednotek Hz až signály stejnosměrné. Nemůžeme používat vazbu kapacitní a transformátorovou, pouze vazbu přímou.

Darlingtonovo zapojení tranzistorů

Základem stejnosměrných zesilovačů je Darlingtonova dvojice tj. zapojení dvou tranzistorů za sebou. Výhodou tohoto zapojení je velký vstupní odpor a velké proudové zesílení až 5000 v integrovaných obvodech je vnitřní spojení realizováno výhradně přímou vazbou. V současnosti stejnosměrné zesilovače nahrazují operační zesilovače.

Operační zesilovače

Operační zesilovače mají svůj název odvozen od původního poslání tj. realizace matematických operací v analogových počítačích. Zapojení vnějších pasivních nebo aktivních prvků do obvodu zpětné vazby lze měnit vlastnosti zesilovače podle potřeby. Rozlišujeme tři druhy operačních zesilovačů.

1) S invertujícím vstupem2) S neinvertujícím vstupem3) Se souměrným direktivním vstupem

Operační zesilovač mívá většinou dva vstupy a může zpracovávat dva samostatné signály. Jeden vstup je přímý označen plus, druhý vstup invertující značí se mínus. Většinou se jedná o direktivní neboli rozdílový zesilovač. Připojením jednoho nebo více pasivních součástek se zavede zpětná vazba, která změní vlastnosti zesilovače. Operační zesilovač pak pracuje jako tvarovač impulsů, integrátor, generátor kmitů, derivační článek, filt, klopný obvod apod.Charakteristickými vlastnosmy OZ jsou velký vstupní a malý výstupní odpor. Velký napěťový přenos, malé zkreslení, malé kolísání vstupního napětí v závislosti na teplotě, čase i napájecím napětím.

OscilátoryJsou elektronické zdroje střídavého napětí, jejichž frekvence je určena vnitřními součástkami z pravidla kondenzátory a cívkami. Oscilátory nezpracovávají žádný signál, ale naopak je sám zdrojem střídavého napětí. Je to dvojpól.

Aby oscilátory byly trvalými zdrojem kmitů, musíme do něho dodávat energii, která doplňuje ztráty a tak se vytvoří kmity netlumené.

Hlavní části

Činnost:Rezonanční obvod, který určuje frekvenci generovaných kmitů, je připojen na výstup zesilovače. Vstup zesilovače je induktivně vázán s řídícím rezonančním obvodem. Po zapnutí zdroje se v rezonančním obvodu vytvoří impuls, který se indukční vazbou přenese na bázi tranzistoru. Tranzistor otvírá zvětšuje se kolektorový proud, doplňují se ztráty energie do rezonančního obvodu a tento děj se opakuje.V rezonančním obvodu LC vzniká sinusový průběh kmitů a oscilátor kmitá na rezonanční frekvenci podle Thomsonova vzorce fr = 1/2LCAby oscilátor trvale kmital, musí být splněny dvě podmínky

1) Amplitudová – určuje, že přenos zpětovazební smyčky musí být roven jedné *Au = 12) Fázová – zajišťuje aby zpětná vazba byla kladná, je dána vztahem A + B = 2

Druhy oscilátorůOscilátory dělíme dle zpětné vazby, řídícího obvodu, tvaru kmitů na:

1) Oscilátory LC, RC a řízené krystalem2) Podle průběhu napětí na sinusové, nesinusové s průběhem obdelníkovým, pilovým atd.

Často užívané zapojení se nazývá tříbodové

Tříbodové transformační členy v obvodu zpětné vazby jsou realizovány jako indukční dělič napětí, který je k tranzistoru připojen ve třech bodech rezonanční obvod tvoří zpětovazební smyčku. Napětí na rozděleném vynutí jsou posunuta o 180

Colpicovo zapojení: je dělič v kapacitní větvi a jeho činnost je obdobná jako u předchozích oscilátorech.

Kvalita sinusových oscilátorů LC se posuzuje podle stability frekvence generovaného napětí a udává se poměrem odchylky frekvence k základní frekvenci oscilátoru. A/f0 U těchto oscilátorů bývá stabilita v tisícinách Hz

Oscilátory RC

Pro nízké frekvence se oscilátor s LC obvodem nehodí jelikož by indukčnost vyšla příliš velká, proto je výhodnější použít oscilátor RC u kterého fázovou podmínku splníme trojitým členem RC.

Vazební člen RC je vytvořen tak, aby úhel fázového posunu byl 60. Tím je splněno A + B = 2 <fázová podmínka>. Nevýhodou těchto oscilátorů je že pro změnu frekvence je třeba současně měnit tři hodnoty u odporů a kondenzátorů. Musí se použít tři zesilovací prvky, aby výstupní napětí vůči vstupnímu mělo fázový posun 180

Krystalové oscilátory

Zapojení využívá piezoelektrických vlastností výbrusu křemene nebo turmalínu. Křemenný výbrus se přiloženým napětí deformuje a naopak při deformací se na jeho elektrodách objeví elektrické napětí. V obvodu se chová jako rezonanční obvod viz náhradní schema.

Krystal má dvě rezonanční frekvenceSériovou a paralelní, těm odpovídají impedance závisející na kmitočtu.Při frekvenci FS jsou impedance nejmenší a krystal se chová jako sériový rezonanční obvod.Při frekvenci FP dosahuje impedance maxima a krystal se chová jako paralelní rezonanční obvod.Činitel jakosti krystalu je proti obvodu LC až desettisíckrát větší. Stabilita krystalových oscilátorů dosahuje hodnoty až 10-9

Příklad: Stabilita 10-7 znamená, že při frekvenci 1MHz je odchylka 0,1Hz

Zapojení oscilátoru řízeného krystalem

Představuje tříbodové zapojení ve kterém rezonátor představuje reaktanci indukčního charakteru a vytváří rezonanční obvod s paralelně připojenými dělenými kapacitami. Aby měl krystal induktivní charakter zátěže, musí frekvence generovaných kmitů ležet mezi frekvencí FS a FP

ModulátoryV přenosové technice přenášíme signály na velké vzdálenosti pomocí vysokofrekvenčních vln. Přenášené signály se nazývají modulační. Jedná se o nízkofrekvenční signál např. hudba, řeč, apod. Signál, který je schopen přenosu bezdrátově se nazývá nosný a jeho frekvence je nad akustickým pásmem. Proces při kterém některý z parametrů nosné vlny ovlivňujeme modulačním signálem se nazývá modulace. Výsledný vzniklý signál se nazývá vysokofrekvenční modulovaný signál (vlna).

Analogová modulaceVzniká tak, že pomocí spojitého modulačního signálu ovlivňujeme nosnou vlnu.

Amplitudová modulace

Amplitudová modulace vnikne tak, že podle okamžité hodnoty modulačního signálu se mění amplituda nosné vlny. Modulační signál tak tvoří obalovou křivku vysokofrekvenční nosné vlně. Amplituda se zvyšuje nebo se zmenšuje podle přeneseného signálu. Důležitým údajem (parametrem) je tzv. hloubka modulace.

Hloubka modulace se udává v procentech a nemá-li docházet ke zkreslení nesmí dosáhnout 100%

Postraní pásmo

Př. : f0 = 100KHz fm = ±3KHzVedle kmitočtu nosné vlny f0 a frekvence modulační fm se vytvoří nosné kmitočty tzv. součtový a rozdílový f0± fm kterým se říká postraní nebo kombinační.

Frekvenční modulace

Bude-li modulující vlna působit na kmitočet nosné vlny, dostaneme vlnu frekvenčně modulovanou. Kmitočet nosné vlny se v úzkém rozmezí mění podle modulačního signálu. Čím je amplituda modulačního signálu větší, tím je větší změna frekvence nosné vlny. Parametrem frekvenční modulace je tzv. frekvenční zdvih Δf. Poměr frekvenčního zdvihu Δf a frekvence modulační fm se nazývá modulační index mf mf = Δf / fm

V současnosti se frekvenční zdvih Δf = ± 75KHz a pro tyto hodnoty musí být šířka přenášeného pásma 250KHz. Proto musí být pro fm přenos používáno frekvence řádově MHz. To je oblast vln metrových a kratších v pásmu VKV.Výhody: užívá celé frekvenční pásmo, malá poruchovost, vyšší účinnost, nevýhodou je složitý přijímač i vysílač.

Fázová modulace

U této modulace se informace přenášejí směnou fáze nosného signálu. Čím větší je amplituda modulovaného signálu, tím větší je fázový zdvih Δφ. Amplituda nosné vlny zůstává opět stálá. Modulovaný nosný signál je vlivem modulačního signálu fázově posunut tak, že čím větší signál přenáší, tím větší je fázový posun oproti nosnému signálu bez modulace.Fáze se mění spojitě neboli analogově. Tato modulace se v praxi využívá málo, většinou však jako prostředek k dosažení frekvenční modulace.

Impulsová modulace

Přenos informací se nemusí uskutečňovat jen spojitým (analogovým) signálem. Je výhodné informaci přenášet jen v podobě krátkých vzorků tj. pomocí impulsů. Nejjednodušší způsob je amplitudově modulovanými impulsy tj. že se vysílají pouze vzorky přenášeného spojitého signálu.

PAM pulsně amplitudová modulaceInformace se přenáší výškou nebo-li amplitudou impulsu.

PŠM pulsně šířková modulaceU této modulace je nositelem informace šířka úhlu. Čím větší je signál, tím větší je šířka impulsu, mezery a výšky impulsu jsou konstantní. Středy impulsů jsou vzdáleny 125μs.

PPM pulsně polohová modulaceU tohoto druhu modulace je informace přenášena pomocí impulsů, které sou posunuty od svého pomyslného středu. Čím je větší signál, tím je větší posunutí. Šířka a výška impulsů jsou konstantní.

PCM Impulsová kódová modulaceJe perspektivně nejvýznamnější. Při ní se analogový signál převádí na číslicovou formu a v rychlém sledu se odebírají vzorky signálu. Velikost každého vzorku se vyjádří číslem a číselný údaj se převede do dvojkové soustavy v podobě znaků dvojí hodnoty.

Při převodu zvukového signálu z analogové formy na číslicovou se používá vzorkovací kmitočet 40KHz a to znamená že za sekundu se musí vyjádřit 40 000 tří až čtyř místných čísel , aby byl přenos kvalitní.Převod mezi analogovým a číslicovým signálem provádí číslicový převodník, který je velmi složitý a bez moderní součástkovém základny by nebyl možný.Jsou to přenosy velmi kvalitní a jejich předností je nepatrné zkreslení, potlačení šumu apod.

ModulátoryJsou elektronické obvody ve kterých se modulace uskutečňuje. Základem modulátoru je elektronická součástka s vhodnou nelineární charakteristikou např. dioda, tranzistor, trioda apod.

Amplitudově modulovaná vlna je složena ze tří částí.1) Z nosné vlny (s frekvencí f0)2) Z dolního rozdílového postranního kmitočtu (f0 – fn)3) Z horního rozdílového postranního kmitočtu (f0 + fn)

Vysokofrekvenční nosná vlna, nízkofrekvenční modulační vlna se přivedou na aktivní nelineární prvek, ve kterém společným průchodem obou signálů dojde ke zkreslení. Kromě původních dvou signálů nosného a modulačního se objeví nové složky. Jsou to součty, rozdíly i násobky obou přiváděných kmitočtů. Pro nás jsou zajímavé pouze čtyři kmitočty a to modulační, nosný a oba postraní. Nepotřebné složky se odstraní elektrickými filtry. Výsledkem je průběh, který jsme poznali při výkladu amplitudové modulace.Signál vysokofrekvenční zavedeme přes oddělovací kondenzátor do emitoru tranzistoru, nízkofrekvenční fn do báze a při vhodném nastavení pracovního bodu získáme na rezonančním obvodu amplitudově modulovaný vysokofrekvenční signál.

Směšovače

Šměšovač je elektronický obvod do kterého se přivádí dva signály s kmitočtem stejného řádu (dva nízkofrekvenční nebo vysokofrekvenční). Oba signály se smíchají a výsledkem je nový signál s kmitočtem, který je součtem nebo rozdílem kmitočtů původních. Tento princip se používá v rozhlasových a televizních přijímačích. Výsledkem je mezifrekvence.

Násobiče kmitočtuNa nelineární charakteristice polovodičového prvku dochází k velkému zkreslení. Přivedeme-li na vstup takového zesilovače sinusový signál s kmitočtem f získáme na výstupu nové signály s frekvencí, které jsou celistvým násobkem původního kmitočtu 2f, 3f, 4f apod.

Tento princip se využívá když na vstup zesilovače jehož pracovní bod je úmyslně zvolen tak, aby zkreslení bylo co největší, přivedeme signál s kmitočtem f a na výstup použijeme rezonanční obvod naváděný na příslušný násobek kmitočtu f.

Detektory a demodulátory

Amplitudová modulacePodstatou demodulace je oddělení vysokofrekvenčního nosného signálu od nízkofrekvenčního modulačního signálu. Signály lze oddělit pomocí nelineárního členu (dioda, tranzistor). Demodulace amplitudově modulovaných signálů se nazývá detekce. V praxi se používají detektory diodové nebo kolektorové u kterých je nelineárním členem tranzistor.Činnost: Z vysokofrekvenčního signálu se vytvoří signál stejnosměrný (dioda) zbytek vysokofrekvenční složky odstraní vyhlazovací kondenzátor a elektrolit oddělí stejnosměrnou složku signálu a zůstane původní modulační signál.

Frekvenční demodulátorK demodulaci frekvenčně modulovaných signálů se používají různá zapojení, která převádí kmitočtovou modulaci na přídavnou amplitudovou.

a) demodulace na boku

Princip této demodulace je, že rezonanční obvod LC není naladěn do rezonance, ale tak aby frekvence nosné vlny ležela v lineární části v boku rezonanční křivky (1). Při změnách kmitočtu se pracovní bod posunuje směrem k rezonanci (2) nebo na druhou stranu rezonance bod (3). Tím se mění nakmitané napětí a objevují se změny amplitudy. Průchodem detekční diodou se získá nízkofrekvenční signál stejně jako u amplitudového detektoru.Nevýhodou těchto jednoduchých demodulací je nedostatečná lineárnost tedy vzniká velké zkreslení.

1) Impulsové obvodyImpulsová číslicová technika se využívá v nejrůznějších oblastech elektroniky např. radiotechnika, sdělovací technika, měřící a výpočetní technika apod. Tato zařízení zpracovávají signál, který impulsový charakter. Nejjednodušší impuls je napěťový skok.Napěťový skok vznikne například připojením obvodu ke zdroji. Matematicky to lze popsat jako nespojitou časovou funkci u(t) = 0(t<0) nebo u(t) = (t≥0)

Charakteristické znaky impulsů jsou1) Amplituda – je největší odchylka impulsů od 0 nebo základní hodnoty.2) Doba trvání impulsu – je stanovena pro ideální obdelníkový impuls3) Doba trvání mezery – představuje šířku mezi impulsy4) Perioda – je součet doby impulsu a doby mezery

Působení impulsových napětí na základní obvody

Připojíme-li na napětí obvod odpor-kondenzátor začne se kondenzátor nabíjet (ze začátku rychle a jak bude napětí stoupat bude nabíjecí proud klesat) po nabití bude roven nule). Napětí Uc tedy exponenciálně narůstá a to podle časové konstanty obvodu. Časová konstanta τ je RxC. Při velké časové konstantě se kondenzátor nabíjí pomalu a nabíjení trvá delší dobu, malá časová konstanta znamená rychlé nabití za krátkou dobu. Uvažujeme-li že kondenzátor před připojením má nulový náboj, pak v okamžiku připojení bude procházet největší proud, který se postupně snižuje tak, jak se kondenzátor nabíjí. Maximální nabíjecí proud v okamžiku připojení s časem exponenciálně klesá, stejně tak roste napětí na kondenzátoru. Jakmile se kondenzátor nabije, přestane obvodem procházet proud.Napětí na rezistoru je-li odpor konstantní a procházející proud se mění bude se měnit i úbytek na rezistoru dle vztahu UR=R*I . Po připojení napětí na obvod, napětí kondenzátoru vzrůstá (exponenciálně) a napětí na rezistoru exponenciálně klesá. Součet obou napětí Uc a UR je v každém okamžiku roven přiloženému napětí (druhý Kyrhofův zákon)

Tvarovací obvody1) Integrační článek (přenosový)

S přenosového hlediska představují tyto obvody dolno-propustný filtr tzn. že signál nízkofrekvenční jimi prochází téměř beze změny a naopak vysokofrekvenční se značným úbytkem. Výstupní napětí je tedy závislé na vzájemném vztahu časové konstanty a doby trvání impulsu. Dobře navržený integrační obvod má časovou konstantu mnohem větší než je doba trvání impulsů τ >> ti

Napětí na kondenzátoru je úměrné množství náboje, který se v něm hromadí. Náboj v něm roste, sčítá se s integrálem proudu, a proto obvodu, u kterého odebíráme napětí na kondenzátoru, říkáme obvod integrační. Tvar tohoto napětí má tvar trojúhelníku. Při mezním kmitočtu ωm = 1/τ = 1/(R*C) se absolutní hodnota reaktance kondenzátoru rovná velikosti odporu.Pro přenos signálu u čtyřpólu, odpovídá pokles 3db vzhledem k přenosu při ω = 0 (stejnosměrného proudu)Pro úplné nabití kondenzátoru potřebujeme dobu 3τ (95%), za dobu 2τ se kondenzátor nabije na (86%) za dobu 1τ se nabije na (63%) u (t) = U * (1 – e – t/τ )

2) Derivační článek

Derivační obvody představují hornopropustný filtr, přenášejí signály vysokofrekvenční bezezměny, signály nízkofrekvenční se značným útlumem. V derivačních obvodech u kterých chceme výstupní signál ve tvaru ostrých napěťových špiček má být časová konstanta několikrát menší než doba trvání impulsů.

Děliče napětí v impulsových obvodech

Pro snížení napětí zpracovávaného signálu v určitém poměru používáme děličů. Bude-li dělič tvořen pouze odpory bude výstupní napětí v poměru U2 = U1 * R2/( R1 + R2 )Často bývá u rezistorů paralelně zařazen kondenzátor. Ten způsobí tvarové zkreslení signálu. Abychom dosáhli signálu nezkresleného budeme dělič kompenzovat.

Kompenzovaný dělič

Obvody RC a RLC s impulsovým signálem

Chování těchto obvodů na napěťový skok lze definovat třemi případy, podle toho jak je obvod tlumen. Činitel tlumení a je dán vztahem a = 1 / √LC Obvod je buď Kritický (tlumen) a = ω0

Pod-kritický a < ω0 zakmitanáPřetlumený a > ω0 ω0 – rezonanční vf

Omezovač amplitudyKe spolehlivé činnosti napěťově málo odolného prvku nebo k odstranění přepěťových vrcholů (zákmitů) používáme omezovače. Ty zaručí že napětí v určitém místě obvodu nepřekročí danou velikost. Jako součástky používáme nelineárních prvků (diod, tranzistorů)

Druhy omezovačů1) Omezovač maxima

2) Omezovač minima3) Oboustranný omezovač

Diodový omezovač

Pokud by dioda v propustném směru měla nulový odpor a ve zpětném směru byla zcela nevodivá, byla by funkce omezovače ideální. Nedokonalost činností s úbytkem napětí v přímém směru a tím vytvoření zpětného proudu.

Oboustranný omezovač

Při omezování amplitudy signálu využíváme jednosměrné vodivosti diod. Hladinu omezení lze posunou zařazením stejnosměrného zdroje referenčního napětí UR do série. Omezení výstupního napětí U2 když vstupní napětí U1 je nižší než UR.

Tranzistorový omezovač

Tyto omezovače mají tu výhodu, že mohou současně signál zesílit. K omezování kladných nebo záporných hodnot vstupního signálu využijeme oblast nasycení (A) nebo oblast uzavření tranzistoru (B). Je-li vstupní napětí nižší než prahové napětí emitorového přechodu, tranzistor zůstává uzavřený a napětí na jeho kolektoru, je roven napětí kolektoru zdroje. Překročí-li prahové napětí, napětí tranzistoru, tranzistor se otvírá. Další omezení nastává v oblasti nasycení kolektorového proudu.

Upínací obvodyÚkolem upínacích obvodů je posunutí napěťové hladiny signálu.

V tvarovacích obvodech nemůže kondenzátorem procházet stejnosměrný proud a to má za následek u kapacitně vázaných obvodů posunutí stejnosměrné složky k nule. Připojením pravoúhlého periodického průběhu na kapacitně vázaný vstup přenese čelo impulsu U1 na výstup kondenzátorem C posunu na straně výstupu. Během

trvání vstupního impulsu se nabíjí kondenzátor přes rezistor za účasti zpětného proudu závěrné diody. Napětí U 2

tedy s časem klesá.

Spínací obvodyPožadavky na elektrické spínací obvody.

1) Nahradit mechanický spínač2) Zajistit nejmenší odpor v sepnutém stavu3) Zajistit největší odpor v rozepnutém stavu4) Zajistit nejmenší rušivé napětí5) Zajisti nejvyšší rychlost sepnutí a rozepnutí6) Oddělit hlavní obvod a ovládací obvod

Dioda jako spínačVyužívá dva stavy a) Propustný – (anoda je kladnější než katoda) její odpor vzhledem k ostatním odporům v obvodu je zanedbatelně malý.

b) Nevodivý stav (anoda zápornější než katoda) dioda je polarizována závěrně, její odpor je několikanásobně větší než ostatní odpory v obvodu.

Podmínkou řízení je, aby řídící zdroj měl vyšší napětí než je napětí přenášeného signálu. V opačném případě by signál mohl ovlivňovat stav diodového spínače. Kondenzátory zajišťují oddělení stejnosměrné složky od hlavního obvodu.

Bipolární tranzistor jako spínač

Při spínání větších proudů používáme bipolární tranzistory z pravidla zapojené se společným emitorem (kolektorem). Při spínání prochází pracovní bod tranzistoru aktivní oblastí, ve které je přechod emitor-báze polarizován v propustném směru a přechod báze-kolektor ve směru nepropustném. Tranzistor jako spínač je rozepnut je-li jeho pracovní bod v závěrné oblasti, když jsou jeho oba přechody polarizovány závěrně. Tranzistor jako spínač je sepnutý je-li jeho pracovní bod v oblasti nasycení (saturace). Oba přechody jsou polarizovány v přímém směru. Mez nasycení je definována nulovým napětím mezi kolektorem a bází UCB=0 Potom UCE a UCB jsou si rovni.

Tranzistor MOS jako spínač

Spínací obvody s unipolárními tranzistory vynikají jednoduchostí, dokonale oddělený spínací obvod od spínaného umožňují spínání více signálů na jeden výstup nebo naopak spínání jednoho signálu na více výstupů.Pro dokonalé sepnutí je třeba zavést na řídící elektrodu záporné napětí –10V až –15V. Pro dokonalé uzavření stačí nulové napětí mezi řídící elektrodou a substrátem.Tyto tranzistory však vykazují poměrně velké odpory v sepnutém stavu (až 100Ω) v rozepnutém stavu se uplatňují zbytkové proudy. Spící časy bývají řádově 10-7 sekund.

Komparátory

Komparátory jsou obvody u kterých se na výstupu vytvoří signál až při dosažení určité tzv. komparační napěťové úrovně (např . dosáhne-li napětí hodnoty napětí z referenčního zdroje)

Klopné obvody (Multivybrátory)Jsou to elektronické obvody, které slouží jako zdroje nesinusových průběhů (např. obdelníkových). Podle zapojení a činnosti se může obvod nacházet ve stavu stabilním, nebo nestabilním.Stabilní stav – ve kterém obvod setrvává tak dlouho dokud není vnějším impulsem překlopen do druhého stavu.Nestabilní stav- je takový pracovní režim, který má omezenou dobu trvání, ze kterého se obvod samovolně překlopí do druhého stavu.

Podle těchto kritérií rozdělujeme klopné obvody na1) astabilní – nemá žádný stabilní stav2) monostabilní – má jeden stabilní stav3) bistabilní – má dva stabilní stavy

V klopných obvodech pracuje tranzistor jako spínač a jeho pracovní bod přechází velmi rychle aktivní oblastí s uzavřeného stavu do nasyceného stavu a naopak.Je-li tranzistor uzavřený prochází jím malý zbytkový proud a na jeho kolektoru je téměř plné napájecí napětí. Je-li tranzistor sepnutý prochází jim saturační proud a na jeho kolektoru je nízké saturační napětí.

Astabilní klopný obvod

Astabilní klopný obvod je dvoustupňový zesilovač se silnou kladnou zpětnou vazbou, která vede z  kolektoru T2

přes kondenzátor C1 na bázi T1.Činnost: Po připojení obvodu na zdroj bude vlivem nesymetričnosti (nesouměrnosti) jedním tranzistorem procházet vetší proud než druhým a v důsledku kladné zpětné vazby se tato změna přenese na druhý tranzistor, který tuto změnu podporuje. Např. Bude-li větší proud procházet T1 bude na RC1 větší úbytek napětí a nižší napětí kolektoru T1 se přenese přes C2 na bázi T1 a ten přivře. V důsledku tohoto napětí kolektoru T2 se zvýší, tato změna se přenese na bázi T1 a ten více otevře.Tyto změny se rychle opakují až dojde k úplnému otevření T1 a uzavření T2.

Monostabilní klopný obvod

Obvod má jednu kapacitní vazbu nahrazenou přímou odporovou vazbou a proto nemůže samovolně kmitat. Setrvává ve stabilním stavu tzn. že tranzistor T2 je úplně otevřený a malým napětím na kolektoru se přes dělič napětí vytvořený rezistory R1 a R2 přenese na tranzistor T1 a tímto spouštěcím impulsem případně záporným impulsem kolektoru T1 tranzistor T1 otevře a uzavře T2. Nyní je obvod v nestabilním stavu a po vybití kondenzátoru C2 přes rezistor RB2 se obvod samovolně překlopí, zpět do stabilního stavu. Nestabilní stav je charakterizován časovou konstantou τ = RB2 * C2

Bistabilní klopný obvodKdyž nahradíme obě kapacitní vazby, vazbami stejnoměrnými získáme bistabilní klopný obvod, který rozlišuje dva stabilní stavy. Změny stabilních stavů (překlopení) lze dosáhnout jen pomocí spouštěcích impulsů a to kladným impulsem do báze uzavřeného tranzistoru, nebo záporným impulsem do báze otevřeného tranzistoru.Bistabilní klopné obvody se používají jako paměť dvojkových čísel. Když vnějším impulsem T2 uzavřeme je na jeho kolektoru plné napětí zdroje. Tato hodnota napětí (vyšší úroveň) se označuje jako logická jednička a tento stav zůstane do příchodu dalšího impulsu, kterým se obvod překlopí. Na kolektoru T2 je nižší napětí, které je označeno jako logická nula.

Děliče frekvence

Jsou elektronické obvody na jejichž výstupu získáme obdelníkové napětí, které má poloviční frekvenci než vstupní obdelníkové napětí. K realizaci těchto děličů se používají bistabilní klopné obvody, které mají v obvodu bází svých tranzistorů zapojena diodová hradla. Jednosměrná vodivost diod způsobuje, že na bázi tranzistoru pronikají pouze záporné impulsy (získané derivací obdelníkových napětí) jejichž frekvence má být dělena.

Záporný napěťový impuls projde pouze tou diodou, která je připojena na bázi otevřeného tranzistoru. (katoda této diody přes rezistor RV a otevřený tranzistor je zápornější než její anoda)

Čítač impulsůDělič frekvence můžeme užít i jako čítač impulsů. Jelikož dva vstupní impulsy způsobí jeden impuls výstupní. Zavedeme-li výstupní impulsy z jednoho dvojkového čítače na vstup následujícího dvojkového čítače, bude frekvence jeho výstupních impulsů 22x nižší než je frekvence vstupních impulsů do prvního čítače.Pro N počet dvojkových čítačů zapojených uvedeným způsobem za sebou bude frekvence výstupních impulsů 2Nx nižší.

Shmitův obvod

Bistabilní obvod lze upravit i jiným způsobem. Časté zapojení využívá kladné zpětné vazby mezi dvěma tranzistory přes emitorový odpor. Využíváme ho při tvarování impulsů např. spojitě se měnícím průběhu. Impuls se objeví v okamžiku, kdy vstupní signál dosáhne určité napěťové úrovně, tudíž ho můžeme považovat za komparátor.

Časový průběh kolektorového proudu tranzistoru T1 a průběh napětí na kolektoru tranzistoru T2. Je-li na vstup přivedeno napětí trojúhelníkového průběhu, pak při napětí U10 se začíná tranzistor T1 otvírat a při napětí U11 se dostává celý obvod do stavu, kdy je splněna podmínka regenerace a dochází k lavinovému zrůstání proudu I1 a současně k uzavírání tranzistoru T2. Tranzistor T1 se dostane do stavu nasycení. Ke zpětnému překlopení dochází při vstupním napětí U12 a rozdíl mezi U11 a U12 se nazývá hystereze nebo-li zpoždění obvodu.

Zdroj pilovitého napětíGenerátory pilovitých průběhů potřebujeme při elektrostatickém vychylování elektronového paprsku v obrazovkách nebo v obvodech časových základen osciloskopu apod. Pilovitý průběh se skládá ze dvou časů t1

tzn. činní běh, kdy napětí narůstá do maximální hodnoty a dobu t2 která se nazývá zpětný běh, při němž napětí klesá na nulovou hodnotu.

Činnost: v době, kdy je tranzistor T1 uzavřen záporným impulsem do báze, nabíjí se kondenzátor C přez tranzistor T2 na napětí zdroje. Napětí U2 na kondenzátoru narůstá téměř lineárně (vlivem odporu tranzistoru) časová konstanta nabíjení má být co nejvyšší. V době, kdy tranzistor T1 je kladným impulsem otevřen se nabíjí kondenzátor přes malý vnitřní odpor tranzistoru T1 vybíjí. Časová konstanta vybíjení musí být malá. Po uzavření T1 se děj opakuje.

Vysokofrekvenční vedeníSe používá pro přenos vysokofrekvenční energie ze zdroje do zátěže (z vysílače do antény nebo z antény do přijímače). Charakteristickými veličinami tohoto vedení jsou odpor a indukčnost v podélném směru. Vodivost a kapacita v příčném směru.Pro přenos energie s nejmenšími ztrátami je třeba, aby podélný odpor a příčná vodivost byli co nejmenší.

Ideální bezdrátové vedení by mělo nulový odpor a nulovou příčnou vodivost a lze si ho představit jako pasivní čtyřpól ve kterém jsou indukčnost a kapacita rovnoměrně rozděleny.Nejdůležitější veličinou pro posouzení vlastnosti vedení je charakteristická impedance Z0 jejiž velikost pro bezdátové vedení lze určit zjednodušeným vztahem Z0 = √L/C L……H*m-1

C……F*m-1

Charakteristická impedance se nemění s délkou vedení a je závislá pouze na rozměrech, tvaru a permitivitě izolantu ve kterém jsou vodiče uloženy.

Dvojvodičové vedení – souměrné

Souosé vedení (kolaxiální) – nesouměrné

Stíněné dvouvodičové vedení – souměrné

Dvouvodičové vedení souměrné mají charakteristickou impedanci Z0 = 300Ω vedení souosé má charakteristickou impedanci přibližně Z0 = 75Ω. Přenos vysokofrekvenční energie pro vedení ovlivňuje vzájemný vztah mezi charakteristickou impedancí Z0 a zatěžovací impedancí ZK.Je-li vedení na konci zatížené takovou impedancí ZK, která se rovná charakteristické impedanci Z0, vzniká na vedení pouze postupující vlna a všechna vysokofrekvenční energie se odevzdá do zátěže. Nedokonalé přizpůsobení vedení a spotřebiče nebo vedení a generátoru má za následek odrazy na vedení, které nepříznivě ovlivňují přenášený signál (ztráty).Příklad : Není-li přizpůsoben napáječ k televizní anténě nebo svod k televizoru, zhorší se kvalita obrazu, sníží se užitečné napětí na vstupu vlivem stojatého vlnění na vedení (stojaté vlnění nepřenáší činný výkon).Je-li vedení na konci zatížené takovou impedancí ZK, která se rovná charakteristické impedanci Z0, vzniká na vedení jen postupující vlna a všechna vysokofrekvenční energie se odevzdá do zátěže.

Je-li vedení na konci bez zátěže (na prázdno) a je-li napájeno vysokofrekvenčním zdrojem, vzniknou stojaté vlny při čemž na konci otevřeného vedení je vždy kmitna napětí a uzel proudu.

Vlastnosti vedení na prázdnoRozložení proudu a napětí na vedení na prázdno v úseku dlouhém λ/2

Postupná vlna (která přenáší činný výkon) je možná jen na vedení zakončeném charakteristickou impedancí. Nezávisí na jeho délce

Vedení na prázdno má impedanci rovnu nekonečnu proud na konci je nulový. Napětí je maximální má kmitnu ve vzdálenosti λ/4 od konce je kmitna proudu a uzel napětí. Vedení kratší než λ/4 se chová jako kapacita. Vedení délky λ/4 se chová jako sériová rezonance (vykazuje nulový odpor). Vedení delší než λ/4 se chová jako cívka. Vedení délky λ/2 se chová jako paralelní rezonance (Z = ∞) a vlastnosti vedení delšího než λ/2 má stejný charakter jako kratší vedení λ/4 tj. má chrakter kapcity.

Vlastnosti vedení na krátko

Vedení na krátko má na konci nulové napětí (uzel napětí) a zkratem prochází maximální proud (kmitna proudu) ve vzdálenosti λ/4 od konce je naopak kmitna napětí a uzel proudu.Podle rozložení napětí a proudu a tím impedance, které bychom naměřili na vstupu úseku vedení. Vedení kratší než λ/4 se chová jako cívka. Vedení délky λ/4 se chová jako paralelní rezonance (do vedení netče žádný proud). Vedení delší než λ/4 se na vstupu chová jako kondenzátor při délce λ/2 se vedení na vstupu chová jako zkrat, což odpovídá sériové rezonanci kmitavého obvodu, naladěného na příslušnou vlnovou délku. Vedení delší než λ/2 se chová jako cívka (tyto vlastnosti se opakují).Není-li vedení zakončeno impedancí Z0 = ZK pohltí se v zakončovacím odporu jen část přicházející energie a zbytek se odrazí zpět ke zdroji. Na vedení se tak setkají dvě potupné vlny, přímá – přicházející od zdroje a odražená – vracející se od nepřizpůsobené zátěže. Obě se šíří stejnou rychlostí proti sobě a vytváří tak vlnu stojatou jejíž kmitny a uzly se opakují ve vzdálenostech rovných polovině délky vlny.

VlnovodyPři velmi vysokých kmitočtech asi nad 200MHz používáme k přenosu vlnovody. Je to zvláštní druh vedení, který tvoří trubka nebo obdelníkový průřez jimiž se šíří elektromagnetické vlny mezi dvěma protilehlými stěnami jejichž dráha je lomená a vzniká opakovanými odrazy od stěn.Ve vlnovodech se elektromagnetické pole šíří vzduchem odrazy od stěn, a proto musí být pečlivě opatřovány (např. postříbřeny).

Optický přenosFunkci elektrického signálu v těchto obvodech přijímá světelný paprsek. Zásadní rozdíl je u nosičů signálu, kterými jsou u kovových vedení elektricky nabité elektrony, zatím co u optických vazby. Jsou to neutrální fotony, které na sebe vzájemně nepůsobí. Při přenosu nevznikají elektrická a magnetická pole, které bývají v elektronických obvodech příčinou různých nežádoucích vazeb. Optický spoj je velice odolný proti vnějším rušivým signálům, je obtížně odposlouchatelný, nedochází ke zpětné vazbě a spojení je dokonale jednosměrné. Velkou výhodou je úplné galvanické oddělení vstupu a výstupu.Další velkou výhodou jsou velké kapacitní možnosti. Optické pásmo kmitočtů zabírá několik řádů široký interval vlnových délek. Pro kratší vlnové délky (ultrafialové záření) narůstá útlum v oblasti rentgenového záření nejsou účinné fotodekodéry a je i náročné záření vytvářet. Nejvhodněji se jeví oblast infračerveného záření. Nevýhody tu však tvoří rušivé signály vycházející ze zahřátých předmětů.

Princip optického spoje

Optický spojJe tvořen modulovaným zdrojem záření, optickým prostředím a přijímačem záření. Vstupní a výstupní signál optického spoje je signál elektrický tzn. že na vstupu i výstupu této soustavy jsou elektronické obvody (mikrofon+zesilovač – zesilovač+reproduktor)Úkolem optického systému je přenést optický signál s co nejmenšími ztrátami z vysílače do optického prostředí a na přijímací straně z optického prostředí na fotodetektor, v němž se optický signál promění na elektrický.Optické prostředí může být libovolné prostředí např. vakuum, atmosféra a především světlovod. Průchodem dochází k zeslabení, ale může dojít ke změně tvaru. Zlepšení dosáhneme zařazením zesilovačů, případně opakovačů. V nich se signál regeneruje.

Optické vlákno – světlovodŠířením optického záření světlovodem nepodléhá nepříznivým vlivům, které působí na světelný paprsek při průchodu atmosférou.Podle principu dělíme světlovody do tří skupin:

Duté světlovody

Jsou to trubky se zrcadlovým, vnitřním povrchem a světlostí mnohem větší, než je nulová vlnová délka optického záření. Paprsek se šíří po lomené dráze, při čemž se odráží od stěn. Umožňuje šíření velkého počtu vln tzn. vidů. Nedostatkem jsou velké ztráty, které dosahují i několik desítek db na km.

Diskrétními kolektory

V trubce světlovodu jsou pravidelně rozmístěny clony, čočky nebo zrcadla, zpravidla ve vzdálenosti dvou ohniskových délek, dosahuje se útlumu asi 1db na 1km. Nevýhodou jsou vysoké náklady, nutnost velkých poloměrů ohybu a nároky na optické nastavení.

Dielektrickým jádrem

Nejperspektivnější je třetí skupina světlovodu, jejichž činnost je založena na úplném odrazu na rozhraní dvou optických prostředí s rozdílným indexem lomu. Světlovod tvoří válcové dielektrické jádro s indexem lomu n1, které je obklopeno dielektrickým pláštěm s indexem lomu n2. Platí-li že n1 je větší než n2 pak na tomto rozhraní dochází k úplnému odrazu. U těchto světlovodů. Které mají podobu tenkého vlákna, bylo dosaženo tekového zlepšení vlastností, že prakticky ostatní druhy byli odsunuty do pozadí. Největší zlepšení bylo na útlumu, jehož hodnota dnes dosahuje díky extrémně čistým materiálům a zlepšení technologie výroby,pouze zlomků db na km.

Optické spojovací součástkyVzájemné propojování optických světlovodů se provádí spojovacími a vazebními součástkami. Jsou to prostředky pro spojování a připojování vláknových světlovodů.Podle konstrukce se dělí na : Trvalé – spojky (zajišťují nepřetržité spojení)

Rozebíratelné – konektory (umožňují opakované spojení a rozpojení)Přímé spojky

Levný přímý spoj lze vytvořit lepením organickou pryskyřicí. Spoj je tvořen malou kapkou lepidla. Jeho nevýhodou je mechanická křehkost.

Rozebíratelné spojovací součástky ( konektor)

S kamenem typu „X“

S drážkovanými válci

Hlavní součástí konektoru je vlastní kontaktní člen (jako u elektrického konektoru). Podle základního principu spojení rozlišujeme dvě hlavní skupiny.

a) s čelním stiskem–(těsným mechanickým dotykem přesně vyrovnaných vláken)b) technikou rozšířeného paprsku–(spojení obou částí zprostředkuje kuželovitá optická spojka nebo čočka)

Kvalitní řešení využívá ložiskových kamenů, kde jedna polovina konektoru tzn. zdířka má vlákno umístěné mezi dvěma kameny tvaru X a druhá polovina tzn. kolík má vlákno upevněné ve vyčnívajícím kuželu ze silikonové gumy.Jiné řešení využívá principu podložky z drážkou tvaru V. Kolík a zdířka mají tvar válců, které mají po celé délce vybránu výseč ve tvaru V, do niž jsou vloženy konce vláken. Mechanické propojení obou kontaktního členu je provedeno ocelovým kolíkem zapadajícím do drážky. Na válce tlačí pružiny. Výhodou je samočinné vyrovnání obou konců a jeho jednoduchost.

Generátory optických kmitočtůPro optické spoje používáme zdroje koherentní a nekoherentní. Bývají buď polovodičové laserové diody, nebo luminiscenční diody.

Polovodičová luminiscenční dioda LEDJsou struktury PN polarizovány v propustném směru a na přechodu PN dochází k injekci minoritních nosičů z nichž většina rekombinuje.Injekce nosičů způsobená průchodem proudu v propustném směru je velmi účinná metoda přeměny elektrické energie na světelnou.

Vlastnosti přechodu PN je možné zlepšit využitím dvojité heterostruktury. Aktivní rekombinační oblast –vrstva (GaAs) ve kterém je generováno optické záření je obklopena vrstvami GaAlAs typ P a N. Toto uspořádání má příznivý vliv na celý proces i na optické vlastnosti celé struktury. V tomto případě díry z oblasti N jsou velmi účinně soustředěny do velmi tenkého přechodu PN a aktivní oblasti, kde zářivě rekombinují téměř se 100% účinností)Diody s dvojitou heterostrukturou jsou velmi vhodnými zdroji záření pro vláknovou optiku.Vysoký optický výkon, lineární závislost optického výkonu na napájecím proudu, malá plocha emitujícího záření.

Laserové diody se příliš neliší od luminiscenčních diod. Umožňují emisi koherentního záření. Je třeba vytvořit podmínky pro zesílení světla šířícího se aktivní oblastí. Vybuzení struktury laseru na přechodu PN je nejjednodušší a zároveň nejúčinnější způsob proměny elektrického proudu na světelné záření.

Modulátory optických kmitočtůMá-li být jakákoliv informace přenesena pomocí světelného paprsku, musí být namodulována (zapsána) na nosný světelný svazek. Optický spoj je vytvořen modulovaným zdrojem, optickým prostředím a přijímacím zařízení. Charakteristika takového spoje je do značné míry závislá na optickém zdroji.Luminiscenční diody a injekční lasery mohou být modulovány přímo změnou proudu, zvláště u LED diod, kde je závislost jasu lineární na budícím proudu. To umožňuje jednoduchou analogovou regulaci. Lasery se modulují změnami budícího proudu a nejdůležitějšími požadavkami je šířka pásma a potřebný modulační výkon.Existuje několik modulačních principů

1) Elektro-optický2) Akusticko-optický3) Magneto-optický

Jeden z nejpropracovanějších je elektrooptický jev, kdy změna optického krystalu je způsobena elektickým polem. Nejrozšířenější je elektrooptický modulátor využívající příčného jevu tj. že intenzita elektrického pole působí kolmo, na směr šíření světelného svazku. Tyto modulátory pracují v celé šířce viditelného spektra a také v části infračervené oblasti a v části ultrafialové oblasti.

Elektrody jsou vytvořeny tak, aby intenzita elektrického pole působila kolmo na směr šíření světelného svazku. Při změnách elektrického pole, dochází ke změnám indexu lomu ve světlovodu. Tyto změny jsou přímo úměrné intenzitě elektrického pole nebo-li modulačního napětí.

Detektory zářeníDetektory záření dělíme do dvou skupin. V první skupině jsou detektory termální u kterých se některá z veličin (odpor, tlak, mechanické vlastnosti) při dopadu záření změní svoji hodnotu. Vzhledem ke značné tepelné setrvačnosti mají tyto detektory velkou časovou konstantu.Druhou skupinu tvoří fotonové detektory, kde pohlcování fotonu záření vyvolá zvětšení počtu volných nosičů, což se projeví v obvodu změnou vodivosti. Časová konstanta těchto detektorů je mnohem menší μs. Detektory záření používáme k demodulaci optického záření v systému s vláknovými světlovody musí splňovat určité požadavky. Jsou to – vysoká citlivost a slučitelnost s vlnovými délkami používanými a luminiscenčních diod a laseru.

Fotodiody pin (PIN)

Fotodioda PIN obsahuje dva nesymetricky dotované přechody PN oblast I (izolant) je slabě dotovaný polovodič do kterého se šíří prostorové náboje na straně styku s polovodiče „P“ a polovodiče „N“