ELEKTROTECHNIKA A MĚŘENÍ

ELEKTROTECHNIKA A MĚŘENÍ (Přehled učiva ze základů elektrotechniky pro neelektrotechnické obory) Zpracoval S. Gregora,O.Fiser Fyzikální veličiny, technické jednotky, ukazatelé. V přírodních a technických vědách se využívá fyzikálních jevů, které definujeme veličinami (délka, rychlost, čas el. proud…….). Jednotky těchto veličin jsou mezinárodně normovány a platí pro ně soustava SI (Systéme internacionál), která vstoupila v platnost od 1.1.1975 jako mezinárodní soustava jednotek. Základní soustava jednotek: m, s, kg, K, A, mol, cd. Vedle základních jednotek (m, s, kg, K, A, mol, cd) a z nich odvozených SI jednotek (W, N, km atd.), které jsou odvozeny pomocí základních fyzikálních zákonů např. pro sílu F= m.a [kg.m/s = N (newton)]. Vedle těchto jednotek se používá v jednotlivých oborech a provozech ještě specifických jednotek tak zvaných ukazatelů. Jsou to poměrná bezrozměrná čísla např. účinnost, měrné a specifické hodnoty, ukazující vzájemný poměr technických a hospodářských veličin jako je například dopravní práce v tunokilometrech (tkm), dopravní tok v tunách za hodinu (t/h), specifická spotřeba energie ve watthodinách na tunokilometr (Wh/tkm). Tito ukazatelé mají sice fyzikální nebo technické rozměry, nejsou však fyzikálními veličinami ani jednotkami, ale mají povahu jednotek ekonomických ( např. tkm). V praxi dále užíváme dekadických násobků těchto jednotek (kilo,mega, giga, mili, mikro atd.). V praxi se můžeme setkat ještě v cizí literatuře s jednotkami anglické (americké) měrové soustavy a často je pro technika nutností znát jejich převod do soustavy SI Veličina Symbol jednotka Název Čas t s sekunda Proud I A ampér Napětí U V volt Intenzita elektr. newton na coulomb E N/C, V/m pole volt na metr watt,voltampér, Výkon P, S, Q W,VA,VAr voltampér reaktanční Otáčky

n

ot/min

otáčky za minutu

Rezistivita Intenzita magnet. pole Magnetická indukce Magnetický tok Indukčnost vlastní, vzájemná Kapacita Práce,energie

R



ohm

H

A.m-1

ampér na metr

B

T

tesla



Wb

weber

L,M

H

henri

C A

F Ws=J

Zrychlení

a

m/s2

farad wattsekunda, joule metr za sekundu na druhou

1

1. Elektrostatika 1.1 Elektrostatické pole Elektrický náboj Základním elektrickým množstvím představujícím nejmenší kvantum (doposud se nepodařilo tento element dále rozložit), je náboj elektronu, který nese náboj - Coulombu (C). Tento náboj je záporného charakteru. Na druhé straně existuje kladný náboj proton – pozitron. Každý náboj se tedy skládá z určitého celistvého počtu elektronů respektive pozitronů, který je relativně kladný vůči zápornému elektronu ( proton, je stavebním prvkem jádra atomu, jehož hmotnost je několikanásobně větší). Zelektrizujeme li těleso (přeneseme na něj el. náboj Q1), vytvoří toto těleso ve svém okolí pole, které se bude projevovat silovým účinkem. Tento prostor, ve kterém se projevují tyto účinky nazýváme elektrickým polem. Umístíme li do tohoto prostoru jiný elektrický náboj Q2, bude na něj působit síla F, kterou určíme Coulombovým zákonem: 1 Q1 .Q2 F (N, C,C, F.m-1, m) 2 4 r  0 r Tato síla je tedy úměrná velikosti těchto nábojů Q1,Q2, dielektrické konstantě  , která vyjadřuje vliv prostředí    0 . r 1 a je dána dielektrickou konstantou vakua  0  .10 9  8,854.10 12 (F/m) a relativní 36 dielektrickou konstantou  r charakterizující vliv prostředí (tato hodnota je tabelovaná pro vzduch je rovna 1, pro ostatní materiály nabývá hodnoty větší než 1, například pro papír je hodnota  r =3 – 5, pro slídu 60 - 80) a dále je tato síla nepřímo úměrná čtverci jejich vzdálenosti r (m). Směr síly je závislý na polaritě nábojů (náboje stejné polarity se odpuzují a naopak). Síla má směr tečny viz. obr. č. 1)

Obr. č. 1 Silové působení dvou osamělých nábojů

1.2 Intenzita elektrického pole Intenzita elektrického pole je síla působící na jednotkový náboj 1C (Coulomb). Jedná se tedy o vektor E (x,y,z,t) jehož modul je dán vztahem F 1 Q E  jednotka N/C = V/m Q 4 0 r 2

2

Intenzita elektrického pole E v daném místě tedy závisí na velikosti náboje, permitivitě prostředí a klesá se čtvercem vzdálenosti od náboje. Obecně budou li se nacházet v prostoru dva nebo více elektrických nábojů, bude výsledná intenzita dána jako výsledný vektorový součet jednotlivých intenzit Ev  E x2  E y2 přičemž směr síly je dán rovnicí: tg 

Ey Ex

Intenzitu elektrického pole lze také definovat, jak dále bude odvozeno, vztahem E 

U , kde d

d je vzdálenost elektrod. Tento vztah je důležitý při kontrole namáhání izolace. Příklad - vypočtěte jaká je intenzita pole mezi dvěma elektrodami vzdálenými d= 5mm a napětím mezi elektrodami 25 kV? 25.10 3 E  5000000 V/m . Izolant oddělující tyto dvě elektrody musí mít izolační 5.10 3 elektrickou pevnost vyšší než je tato hodnota, jinak dojde k průrazu dielektrika (elektrická pevnost např. slídy je 60 – 80 kV/mm, skla 12 – 20, papíru 17 – 25) Intenzita elektrického pole tedy klesá se vzdáleností od středu náboje. Elektrické pole znázorňujeme pomocí siločar. V podstatě siločára nahrazuje vektor, kde příslušná intenzita je tečnou a velikost intenzity je dána počtem siločar procházejících plochou. Tato hodnota je pro kulovou plochu pak vyjádřena jako celkový tok ΦE. kde Q představuje celkový náboj obklopený uvažovanou kulovou plochou v daném místě, výraz pak vyjadřuje celkový tok siločar intenzity elektrického pole (Gaussova věta) Siločáry vystupují z kladného náboje a směřují k zápornému náboji.Celkový počet siločar vstupujících, respektive vystupujících z dané plochy je úměrný velikosti náboje

Q

Q Q E  dS  .4r 2  neboli S 2 0  4 .  .r Homogenní elektrostatické pole je takové pole, kde intenzita E má ve všech bodech stejnou velikost a směr (je to např. pole vytvořené mezi dvěma rovnoběžnými deskami viz. Obr. č.3 ). E 



1.3 Vliv dielektrika na elektrické pole – polarizace dielektrika Lze udělat pokus. Dvě desky od sebe vzdálené na vzdálenost d připojíme na napětí, které budeme zvyšovat. Lze vysledovat, že po dobu zvyšování napětí obvodem poteče proud. Přestaneme li zvyšovat napětí, proud ustane a naopak při snižování napětí opět poteče proud, ale obráceného charakteru, náboje molekul se začnou vracet do původního stavu. Šlo tedy o nabíjení a vybíjení.Tento proud není tedy charakteru jako ve vodičích, ale označuje se jako proud posuvný.Elektrické množství, které se posunulo jednotkou plochy násobené dobou posouvání vztaženo na jednotku plochy S je elektrická indukce D (posunutí D). Budeme li zkoumat příčinu tohoto stavu, zjistíme, že tento jev lze vysvětlit polarizací dielektrika. Vložíme li látku (dielektrikum) do elektrického pole, dojde k jevu označenému jako polarizace dielektrika. Původně elektricky neutrální atomy se zdeformují. Záporně nabité

3

částice se stáhnou k +Q pozitrony k –Q. Dojde jako by k deformaci neutrálních atomů vzniknou tak zvané indukované dipóly (celkově zůstává látka elektricky neutrální). Dipólmoment elektrický je dán součinem elektrického náboje a jejich vzájemnou vzdáleností  e  Ql a je úměrný intenzitě E. Q Lze také napsat že celkový tok   E.dS (Maxvelova rovnice v integrálním tvaru)  Je li elektrické množství Q v prostředí o dielektrické konstantě  , bude z něho vycházet  krát méně siločar než ve vakuu. Zavádí se tedy vektor charakterizující jednotkový indukční tok označený jako elektrická indukce D   0   r  E N

Respektive

N

 QS   D.dS kde S 1

Q

S

Q1  Q2  .....Q N

(3. Maxwelova rovnice)

S 1

Integrál elektrické indukce D přes uzavřenou plochu S je roven součtu nábojů QS. Příklad: Jaká je elektrická indukce D v elektrostatickém poli, jehož intenzita je 6 E = 8 . 10 V/m, jaký je elektrostatický indukční tok  , jsou li rozměry elektrody, ze kterého tok vychází 30X25 cm? D ´0 . r .E D  8,853.10 12.8.10 6.1  70,8.10 6 C/m2   70 ,8 .0 ,3 . 0 , 25 . 10  6  5 ,31 .10  6 C

Obr. č.3 Polarizace dielektrika Důsledkem polarizace je vznik vázaného náboje viz. obr. č.3. V podstatě nastal pohyb nábojů a to uvnitř i vně. Technický význam tohoto poznatku –dielektrické ztráty - ohřev dielektrika.

4

1.4 Práce v elektrickém poli Vytvoříme opět homogenní elektrické pole (dvě deskové elektrody, na které přeneseme stejné náboje opačné polarity). Vezmeme jednotkový náboj Q a vložíme jej do vytvořeného elektrického pole o intenzitě E. Na náboj bude působit síla F=Q.E a nyní budeme chtít tento náboj přesunout z místa A do místa B viz obr. č. 4 Práce vynaložená na přenesení náboje se dá vyjádřit l2

l2

 A   F .dl   E.Q.dl  l1

l1

Q 4 . .d

d – vzdálenost desek (m)

Takto vykonaná práce A je potom rovna změně potenciální energie náboje.

Obr. č. 4 Elektrický potenciál

1.5 Elektrický potenciál Z uvedených vztahů vyplývá, že řešení polí pro několik bodových nábojů je značně ztíženo vektorovým sčítáním a hledala se metoda, kterou by bylo možno pomocí skalární funkce sečíst tato pole algebraicky a určit i směr pole. Budeme li mít bodový náboj, pak na jednotlivých ekvipotenciálách bude stejná intenzita. Pro přenesení elektrického náboje z nekonečna do daného místa vykonáme práci, která je v podstatě rovna potenciální energii v daném místě pole.Tuto energii označujeme jako elektrický potenciál v daném bodě  A . Rozdíl potenciálů pak označujeme jako napětí U Q dA  V .dQ  .dQ C Napětí je tedy definováno jako rozdíl potenciálů U   a   B kde jednotkou je volt (V) Ekvipotenciální plocha- je plocha v jejíž bodech je stejný potenciál. Pohybuje li se náboj na ekvipotenciální ploše koná působící síla nulovou práci.

5

1.6 Kondenzátor - kapacita Kondenzátor je tvořen dvěma elektrodami odělenými dielektrikem (izolantem). Přivedeme li U napětí na tyto desky, vytvoří se mezi deskami elektrické pole o intenzitě E  , kde d d představuje vzdálenost desek. Vlivem intenzity elektrického pole dojde k polarizaci dielektrika a vytvoří se v tomto prostředí dielektrický indukční tok D  E. Vlivem, kterého je na elektrodách vázán elektrický náboj +Qo a –Qo. Jeho velikost je tedy určena plochou S, permitivitou prostředí mezi deskami  a intenzitou el. pole E, která je dána U E tedy vzdáleností desek a napětím. Tuto schopnost kumulovat elektrický náboj d označujeme jako kapacitu kondenzátoru C jednotkou je F-(farad) Q S C  0  . U d Kapacita kondenzátoru je tedy dána konstrukčním uspořádáním. Velikost vázaného náboje je tedy dána napětím U a touto konstrukční konstantou C. Kondenzátor tedy slouží jako jímač elektrické energie . Akumulovaná energie se dá vyjádřit: 1 W  CU 2 (W,F,V) 2 1.7 Řazení kapacit-spojování kondenzátorů Paralelní spojení (vedle sebe). Pro toto spojení je charakteristické, že napětí na kondenzátorech je stejné. Takové spojení lze pokládat za jeden kondenzátor, kde plochy se sčítají a výsledná kapacita je dána součtem jednotlivých kapacit C  C1  C 2  .....C n Seriové spojení (za sebou). Charakteristickým znakem tohoto spojení je, že vázané náboje na jednotlivých deskách kondenzátorů jsou stejné Pak platí, že 1 U U 1 U 2.....U n 1 1     ......... C Q0 Q0 C1 C 2 Výsledná kapacita je při seriovém řazení vždy menší než nejmenší kapacita všech řazených Q kondenzátorů. Celkové napětí se rozdělí na jednotlivé kondenzátory a to dle vztahu U  C jelikož je vázaný náboj na všech deskách stejný, tedy nepřímo úměrný ke kapacitám. Tohoto poznatku se využívá například jako kapacitního děliče.

6

Obr. č. 5 Paralelní (a)a seriové (b) řazení kapacit :Vypočtěte jak velkou kapacitu musí mít kondenzátor vysokonapěťového kondenzátorového zapalování, má li naakumulovat energii 60mJ při napětí 300V, nutnou pro elektrický výboj na zapalovací svíčce ? 1 Vyjdeme ze vztahu pro energii elektrického pole . W  CU 2 .Z tohoto vztahu pak vyplývá, 2 2.W 2.60.10 3 že požadovaná kapacita kondenzátoru bude: C 2   4 F U 300 2

2

Elektrický proud

2.1 Při polarizaci dielektrika jsme se seznámili s tak zvaným proudem posuvným. Nyní se podívejme na situaci v kovovém vodiči. Kovy jsou charakteristické tím, že tvoří tak zvanou krystalickou mříž. Má li dojít k vedení proudu musíme dostat za pomoci aktivační energie tyto elektrony z té vazby. Kovy se vyznačují právě tím, že při běžné teplotě má již elektron takovou energii, že se uvolní. To je hlavní rozdíl mezi vodičem a izolantem. Tam je potřeba mnohem vyšší kinetické energie k uvolnění. Volné částice jsou stále v neuspořádaném pohybu. Vytvoříme li nyní ve vodiči připojením napětí elektrické pole, dojde k usměrněnému toku elektronů (respektive iontů u elektrolytů) a tento usměrněný pohyb nazýváme elektrický dQ proud. Jde tedy o přesun elektrického náboje, který se přesune za jednotku času i  dt Q Nemění li se proud – ustálený stav pak I  (A) jedná se o stejnosměrný proud t Německý fyzik Ohm objevil a zformuloval vztah mezi napětím, proudem a vlastností materiálu, kterou označil jako elektrický odpor R, jehož jednotkou je Ω (ohm): U I R Vodič má odpor jednoho ohmu, protéká li ním proud 1A při napětí 1V. Ohmův zákon lze pak vyjádřit i v jiné formě podle zadaných parametrů: Jako úbytek napětí, který se vytvoří na spotřebiči s odporem R při procházejícím proudu I U=R.I Nebo lze stanovit zpětně odpor, známe li proud a napětí na spotřebiči

7

R

U I

Elektrický odpor tedy charakterizuje vlastnost materiálu, kterou označujeme jako měrný odpor- rezistivitu  , což je odpor krychle o hraně jednoho metru jednotkou je Ω.m. V praxi se vyjadřuje jako měrný odpor o délce 1 m a průřezu 1 mm2 respektive pro vedení jako Ω/km/mm2 Například pro měděné vedení činí měrný odpor: 17,5 – 18,2 Ω/km/mm2 hliníkové vedení : 28,1 – 31,2 Ω/km/mm2 l Výsledný odpor vodiče je potom dán vztahem R   . S Odpor závisí na teplotě, což lze vyjádřit vztahem: R  R20. 1   .  20) Respektive pro měrnou vodivost:

    20 .1   20 .  20  Kde pro měď je  20  0,004  0,0042 Pro hliník je  20  0,0037  0,0039 Kde  vyjadřuje teplotní součinitel odporu udávající změnu rezistivity (odporu) při změně teploty o 1°C. Tento součinitel může být kladný (kovy), respektive záporný (polovodiče).Tohoto poznatku se v praxi využívá například pro měření teploty například v automobilní technice - snímače teploty PTC nebo NTC. U střídavých proudů se ještě odpor zvyšuje vlivem jevu, který označujeme jako skinefekt R ,  k .R , kde k je dán vztahem k  1  7,5. f 2 .d 4 .10 7 (vztah platí pro nemagnetické materiály) Odpor země se stanoví: RZ   2 . f .10 4 (Ω/km) Vodivost (konduktance) je převrácená hodnota odporu G 

1 jednotkou je (Ω-1) označená R

jako siemens S nebo pro měrnou vodivost (konduktivitu) je to převrácená hodnota měrného odporu rezistivity 1   (Ω-1 m-1)  Příklad : Vypočtěte odpor 1 km dlouhého trolejového drátu, který je z mědi a má průřez 150mm2 ? Jak se změní tento odpor, dojde li vlivem proudového zatížení k oteplení na 50 OC? l 1 R   .  18.  0.12 S 150 R50  R20. 1   .  20)  0,12.0,004.(50  20)  0,1344 2.2 Zdroj elektromotorického napětí Elektrický proud může procházet prostředím (vodičem) pouze tehdy, působí li na volné nabité částice trvale elektrické pole. Tuto funkci zajišťuje v elektrickém obvodě zdroj elektromotorického napětí (lze přirovnat k čerpadlu nábojů). Zdroj tedy koná práci přemisťováním nábojů (elektronů nebo iontů). Elektromotorické napětí je tedy rovno podílu

8

práce A, kterou vykoná zdroj při jednom oběhu náboje Q po libovolné uzavřené W A F .ds křivce Ems      E.ds Q Q C Q C V otevřeném obvodě se elektromotorické napětí rovná svorkovému napětí zdroje naprázdno E ms= U0 V uzavřeném obvodě začne vlivem napětí protékat proud. Reálný zdroj ovšem představuje vnitřní odpor Ri, který se projeví úbytkem napětí Ri. I. Svorkové napětí zdroje je tedy dáno elektromotorickým napětím sníženým o úbytek napětí na zdroji: U S  Ems  Ri .I Podle velikosti vnitřního odporu pak charakterizujeme zdroje jako tvrdé a měkké. Svorkové napětí tvrdého zdroje klesá při ztížení málo a naopak. Při zkratu zdroje je svorkové napětí rovno nule a zdrojem protéká zkratový proud. Ten je určen odporem zdroje. Příklad : Budeme mít dva stejné zdroje o napětí naprázdno 10V. Zdroje ovšem nemají stejný vnitřní odpor. První zdroj má Ri A = 0,15  , druhý zdroj má RiB  0,2 . Oba zdroje budou napájet společný spotřebič. Jak velký proud každý ze spotřebičů bude dodávat, když celkový odběrový proud bude 20A? Vyjdeme ze vztahů: I A  I B  20 A RIA .I A  RIB .I B Řešením této soustavy rovnic obdržíme vztah pro prouy IA a IB 2.3 Kirchhoffovy zákony První Kirchhoffův zákon popisuje stav v proudovém uzlu. Součet proudů vstupujících do uzlu (označené +) se rovná součtu proudu vystupujících z uzlu (označeny -) n



IK  0

k 1

Obr. č. 6 Dělení proudů v proudovém uzlu Druhý Kirchhofův zákon platí pro uzavřený obvod: Algebraický součet všech elektromotorických napětí v uzavřeném obvodě je roven algebraickému součtu úbytků napětí na všech prvcích tohoto obvodu

9

Obr. č. 10 Příklad řešení obvodu pomocí II. KZ

2.4 Spojování rezistorů a zdrojů elektromotorického napětí Při seriovém spojení mají všechny prvky zapojené v obvodu stejný proud, svorkové napětí zdroje se rozdělí přímo úměrně na jednotlivé odpory (úbyty napětí R.I), Výsledný odpor obvodu je dán součtem jednotlivých odporů: R= R1+R2+……Rn

Obr. č. 7 Seriové a paralelní spojování prvků Při seriovém spojování zdrojů se jejich elektromotorická napětí sčítají. Rovněž se sčítají jejich vnitřní odpory Ri. Paralelní spojení odporů a zdrojů Při paralelním spojení prvků obvodu mají všechny prvky stejné napětí Výsledný odpor paralelně řazených prvků je dán vztahem: 1 1 1 1    .... R R1 R2 Rn Vodivosti se sčítají G=G1+G2+….Gn Obdobně to platí pro paralelně řazené zdroje. Spojíme li paralelně zdroje o nestejném napětí poteče mezi nimi při nezatíženém stavu vyrovnávací proud. Při zatížení se rozdělí zatěžovací proudy nepřímo úměrně vnitřním odporům zdrojů, čímž může nastat přetížení zdroje s malým vnitřním odporem. Výkon stálého proudu – Jouleovo teplo Průchodem proudu vlivem stálého elektromotorického napětí, se vykoná za dobu t práce (přenesením náboje):

10

A= U.Q= P.t = U.I.t = R.I2.t = U2/R jednotkou je W.s – joul (J) Práce vykonaná za čas je výkon P 

3

A . jednotkou je watt (W) t

Magnetostatika

Magnetické pole V předchozí kapitole jsme si ověřili, že kolem elektrického náboje vzniká elektrické pole. Začne li se tento náboj pohybovat, vzniká další jev – kolem vodiče vznikne magnetické pole, které se opět projevuje silovým účinkem na jiné magnetické pole (například země – ručička kompasu se natočí S-J). Vznik magnetického pole je tedy svázán jen s pohybem náboje – elektrickým proudem. Toto vzniklé magnetické pole opět charakterizujeme veličinami jako pole elektrické. Intenzita mag. pole H je síla (vektor – tečna k magnet. silokřivce), kterou působí v daném místě na magnetické prostředí a na tomto prostředí nezávisí.: Ampérův zákon  H.dl   I C

Pro magnet. pole vodiče platí: H .l   I  H .2 .r magnetomotorické napětí viz. Obr. č. 8

kde

 I je

označována jako

Obr. č. 8 Magnetické pole vodiče a solenoidu (cívky)

Bude li délka cívky l mnohem větší než dvojnásobek jejího průměru 2R, bude magnetické pole uvnitř dutiny cívky homogenní a tudíž i intenzita magnetického pole konstantní N N H  .I  n.I , kde n je hustota závitů rovnající se poměru l l

3.2 Magnetická indukce B

11

Vlivem intenzity magnetického pole H dojde k zmagnetování prostředí, což vyjadřujeme magnetickou indukcí B (vyjadřuje v podstatě hustotu siločar mag. pole vytvořeného intenzitou H v daném prostředí) Magnetická indukce závisí na prostředí, což charakterizujeme jeho permeabilitou    0 . r . , která je dána permeabilitou vakua  0 a relativní permeabilitou  r Jednotkou permeability je H.m-1 a pro vakuum činí 1,256 637.10-6 H.m-1

Podle poměrné permeability  r ,dělíme látky: paramagnetické  r je nepatrně větší než 1, diamagnetické  r je nepatrně menší než 1 feromagnetické µr je mnohonásobně větší než 1. Feromagnetické látky nemají µr konstantní viz hysterezí křivka (Obr. č. 10)

Obr. č. 9 Průběh magnetické indukce pro vzduch  r  1 U paramagnetických látek (např. Al..) a diamagnetických látek (rtutˇ, voda..) se prakticky permeabilita málo liší od 1 (    0 ) Z uvedeného vztahu vyplývá, že para a diamagnetické látky prakticky neovlivňují magnetickou indukci. Jiná situace je u látek feromagnetických (železo, nikl, kobalt některé jejich slitiny a dále i slitiny některých neferomagnetických látek).Tyto látky mají nenulové magnetické momenty , které jsou vytvořeny mikroproudy spojenými s oběhem elektronu a jeho rotací. U neferomagnetických látek se tyto magnetické momenty ruší. U feromagnetických látek se tato mikroskopická pole sčítají a vytváří tak zvané Weissovy domény. Nebyla li tato látka ještě zmagnetizována, jsou tyto domény seřazeny neuspořádaně a látka se navenek jeví jako nemagnetická. Vložíme li tuto látku do vnějšího magnetického pole, seřadí se tyto domény ve směru vnějšího pole a obě pole se sečtou B   0 .H  J kde J představuje magnetickou polarizaci Jde v podstatě o postupné natáčení těchto domén ve směru vnější magnetizace. Toto si lze ověřit na následujícím pokuse. Do cívky vložíme feromagnetický materiál a postupně budeme zvyšovat proud procházející cívkou. Tím se postupně budou natáčet jednotlivé domény a tím bude narůstat indukce B. Tento jev ovšem neprobíhá plynule, ale po skocích (Barkhausenův jev). Při dosažení určité intenzity pole H (závisí na proudu cívky) nepostupně tento jev ustálí (všechny domény se natočily) a dále se chová feromagnetická látka jako vzduch (nasycený stav).Tento průběh se u doposud nemagnetovaného materiálu nazývá křivka prvotní magnetizace,,A“. Budu li nyní proud snižovat, budou se domény vracet do původní polohy. Při proudu rovném nule ovšem část domén se už nevrátila do původní polohy a zůstala tam

12

zbytková indukce Br - remanentní. Na její odstranění je zapotřebí obrácené intenzity –Hr kterou nazýváme koercitivní sílou.Budeme li dále pokračovat, opět se nám materiál přemagnetizuje. Celý cyklus přemagnetizace pak je označen jako hysterezí smyčka a její ploch a je úměrná práci na přemagnetování A  H .dB V  výraz vyjadřuje práci spotřebovanou v objemové jednotce na jeden magnetizační cyklus

Obr. č. 10 Magnetizační křivka feromagnetického materiálu Podle této práce rozdělujeme materiály na magneticky měkké, které mají malou koercitivní sílu Hr a úzkou hysterezí křivku, čímž dosahují při relativně malé intenzitě velké indukce B (jinými slovy se lehce zmagnetují a odmagnetují). Tyto materiály se budou používat na stavbu elektromagneticky buzené obvody (magnet. obvody točivých strojů, transformátorů, elektromagnetů). Naopak jiné materiály (například slitiny Fe,Al,Ni,Co) se vyznačují obtížným zmagnetováním a odmagnetováním (velká koercitivní síla). Tyto materiály označujeme jako magneticky tvrdé a z nich se vyrábí permanentní magnety.Zde je nutno upozornit na další vlastnost feromagnetických materiálů a to je vliv teploty.Při vyšších teplotách ( u železa je to tak zvaný Curieův bod 723°C) ztrácí tento materiál feromagnetické vlastnosti. Zachováme li u těchto materiálu strukturu náležející této teplotě získáme nemagnetickou ocel - ocele třídy 17). 3.3 Magnetický indukční tok Celkový tok indukčních čar (magnetická indukce) procházející uzavřenou plochou S se nazývá magnetický tok   B.S ……jednotkou je Wb(weber) a vyjadřuje celkový tok indukčních čar vycházející z dané plochy S

Hopkinsonův zákon- řešení magnetických obvodů Obdobně jak jsme řešili elektrický obvod, platí analogie při řešení magnetických obvodů.

13

Máme li vybudit v magnetickém obvodě magnetický tok, musíme mít zdroj magnetomotorické síly (cívka s N závity). Na obr. č.. 12 je naznačen magnetický obvod se vzduchovou mezerou.Tento obvod představuje dvě odlišné části obvodu, které budou představovat různý magnetický odpor. Jde tedy v našem případě o seriově řazená dvě prostředí, v nichž bude protlačen stejný tok, ale různé magnetomotorické síly.Magnetický odpor (reluktance) je pak definován za předpokladu homogenního izotropního prostředí :

Rm 

l  .S

jednotka H-1(henri na minus prvou)

Obr. č.12 Magnetický obvod složený ze dvou prostředí (vzduch a železo). Na obr. b je jeho náhradní schéma Obdobně jako při řešení elektrických obvodů postupujeme analogicky i při řešení magnetického obvodu. Jsou li dvě a více magnetických prostředí za sebou, bude ve všech prostředích obvodu stejný magnetický tok  a stejná magnet. indukce B( zanedbáme li rozptyl u vzduchové mezery) a na protlačení tohoto toku bude třeba různé magnetomotorické síly N.I. Na část železa bude nutné magnetické napětí Hž .lž a na část vzduchové mezery H vz .l vz , kde l vyjadřuje délku silokřivky železného jádra a vzduchové mezery. Obdobně lze postupovat u paralelně řazených magnetických prostředí. Hopkinsonův zákon tedy můžeme zapsat

Rm   H  dl  N I C

3.4 Silové působení magnetického pole na proudovodič. Bude li se nacházet vodič (bez proudu) v homogenním magnetickém poli, nebude na něj působit síla. Vyvoláme li v tomto vodiči proud, začne na vodič působit v tomto poli elektrodynamická síla, která představuje vektor dF  I .(dI .B) Kde l je vektor délky, pro vodič o délce l nacházející se v magnetickém poli o velikosti indukce B má obecně velikost F  I .l..B. sin  kde  je úhel, který svírá indukce B s osou vodiče. Obdobně lze odvodit silové působení

14

magnetické indukce na proudovou smyčku – závit. Vznikne točivá dvojice sil, představující točivý moment D M  FV . 2 Z uvedeného vztahu vychází princip elektromotoru

Obr. č.11 Pravidlo levé ruky –silové působení - princip elektromotoru Položíme li ruku na vodič tak, aby prsty ukazovaly směr proudu, magnetický tok vstupoval do dlaně(pole vychází ze severního pólu), pak palec ukazuje směr působící síy F na vodič.

3.5 Elektromagnetická indukce – Faradayův zákon Prochází li omezenou vodivou smyčkou (závitem) časově proměnný magnetický tok, indukuje se ve smyčce elektromotorické napětí, které se rovná záporné časové změně magnetického toku: d dt Záporné znaménko je odůvodněno tím, že elektrický proud vzniklý tímto indukovaným napětím ve smyčce vytváří obrácený magnetický tok, než tento jev způsobil (Lenzovo pravidlo) Technickou aplikací tohoto zákona je transformátor, který má dvě vinutí spojené magnetickou vazbou.

Elektromotorické napětí U i  

Obr.č.12 Uspořádání vinutí transformátoru

15

Primární vinutí vytváří magnetický tok, v sekundárním vinutí se bude indukovat napětí d ( MAX . sin t ) uí  po provedené derivaci obdržíme vztah pro dt maximální hodnotu indukovaného napětí : UMax=  . Max   .BMax .S Fe Pro efektivní hodnotu indukovaného napětí v jednom závitu pak vychází vztah: U iz  4,44.Bmax .S Fe . f Pro indukované napětí v primárním vinutí: Ui1= Uiz . N 1 indukované napětí v sekundárním vinutí: Ui2= Uiz . N 2

Poměr těchto napětí :

pU =

N1 U 1  pak udává napěťový převod transformátoru N2 U2

N1 I 2  N 2 I1 Transformátor má velmi široké aplikační využití slouží jako převodní napěťový a proudový prvek a dále plní funkci oddělovací – izolačně odděluje obvody, čehož se používá v energetických sítích, dále jako regulační prvek u lokomotiv, jako zdroj vysokého napětí u zapalovacích systémů vozidel. Proudový převod: pI =

Druhou formou indukčního zákona je indukce napětí v pohybujícím se vodiči v magnetickém poli. Budeme li otáčet závitem v magnetickém poli (časově neměnném), bude docházet ke změně magnetického toku plochou smyčky a ve smyčce se bude indukovat napětí, které bude mít sinusový průběh Indukované elektromotorické napětí Ui Pro samostatný vodič pohybující se v magnetickém poli bude napětí dáno vztahem: Ui = B.l.v kde l je aktivní délka vodiče nacházející se v magnetickém poli, v je vektor rychlosti kolmý na magnetickou indukci B. Směr indukovaného napětí určíme Lenzovým pravidlem pravé ruky. Vysvětlení dle obr. č. 11.Položíme pravou ruku tak, aby magnetické siločáry vstupovaly do dlaně, palec ukazoval směr pohybu vodiče, prsty ukáží směr indukovaného napětí. Technickou aplikací této formy indukčního zákona jsou generátory (dynama, alternátory)

16

3.6 Vlastní indukčnost a vzájemná indukčnost Vlastní indukčnost Bude li se měnit proud procházející cívkou, bude se měnit i s ním magnetické pole, které je s tímto proudem svázané. Na základě indukčního zákona se časovou změnou toku bude indukovat napětí, které je obrácené polarity. Toto napětí je pak závislé na vlastní časové změně proudu a na konstrukčních konstantách magnetického obvodu a to znamená permeabilitě, počtu závitů a geometrickému rozměru cívky. Tyto parametry pak označujeme jako vlastní indukčnost cívky L jednotkou je H (henri). N . L I

D N2 Vlastní indukčnost L solenoidu (cívky) je pak dána vztahem: L   . .( ) 2 . 2 l Kde D je průměr dutiny cívky, N počet závitů cívky,  je permeabilita, což vyjadřuje zdali je cívka bez jádra (reaktor) nebo s feromagnetickým jádrem(tlumivka).Tím se bude lišit chování takové cívky- průběh její indukčnosti. U cívky bez jádra bude závislost B=f(i) lineární, u tlumivky to linearita nebude viz. magnetizační charakteristika na obr č.10 Vzájemná indukčnost Budeme li mít vedle sebe dva vodiče, nebo dvě smyčky a jedním vodičem bude protékat časově proměnný proud, který vytvoří kolem magnetické pole a v sousedním vodiči se bude indukovat napětí, které je opět ovlivněno vlastnostmi magnetického obvodu a časovou změnou toku.Tuto vazební vlastnost označujeme jako vzájemnou indukčnost M jednotkou je henri (H)

M 

N 2 . 12 N 1 . 21  I1 I2

Vzájemná indukčnost tedy závisí na vzájemné poloze obou vodičů a na prostředí obklopujícím oba vodiče – permeabilitě  . Na tomto principu je rovněž založen transformátor který plní další funkci odělovací – galvanicky odděluje dva obvody.

3.7 Energie magnetického pole Magnetické pole představuje tedy v prostoru, ve kterém se uzavírá energii, která se dá pro cívku vyjádřit : 1 W  .L.I 2 2 Indukčnost tedy lze pak definovat, že to je schopnost naakumulovat (v cívce) určitou velikost energie při stejné velikosti proudu.

17

4 Střídavé proudy 4.1 Generátor střídavého napětí

Otáčením vodiče ve stacionárním magnetické poli vybuzeném buď elektromagnetem nebo permanentním magnetem, se bude indukovat střídavé sinusové napětí o okamžité velikosti u i  B.l. sin  1 jehož perioda je T a kmitočet f = a ten je dán otáčkami závitu a počtem pólů stroje T n f  .p 60 Střídavý proud a napětí mají tedy harmonický průběh (mají obdobné průběhy jako v mechanice periodické kmity). Dále je nutno si uvědomit, že tyto veličiny (napětí, proud) mají v daném časovém intervalu okamžitou hodnotu u  U max . sin t (V), která dosahuje v daném okamžiku (při nejvyšší časové změně toku) amplitudy Umax, Imax. Střídavé veličiny (napětí, proud) pak měříme v efektivní hodnotě, což je náhradní hodnota definovaná stejnou prací (tepelným výkonem R.I2), kterou by vykonal stejnosměrný proud Uef (V). Vztah mezi maximální a efektivní hodnotou sinusového napětí 2.U ef  U max . Obdobně jako v obvodech napájených stejnosměrným napětím, platí i zde stejné zákony (Ohmův a oba Kirchhoffovy zákony). Rozdíl je v tom, že musíme brát v úvahu nejen elektromotorická napětí zdrojů, ale i elektromotorická napětí vznikající vlastní a vzájemnou indukčností (to se bude projevovat u obvodů s indukčností - cívka). Dále bude nutno uvažovat nabíjecí a vybíjecí proud kapacity obvodu (kondenzátory), který se bude periodicky s kmitočtem střídavého napětí nabíjet a vybíjet. Kondenzátor se tedy bude chovat při střídavém napájení jako vodič určenou frekvencí napětí a kapacitou. Nyní bychom si provedli porovnání chování těchto prvků v elektrickém obvodě při napájení stejnosměrným a střídavým proudem.

18

5.2 Odezvy obvodových prvků na střídavý proud

Obvod s rezistivitou (odporem R) V obou obvodech (tj. stejnosměrných i střídavých) platí Ohmův zákon U stejně I  R Střídavé napětí (Uef) vyvolá střídavý proud stejného časového průběhu.Tento stav označujeme, že proud je ve fázi s napětím. Rezistance tedy nezpůsobí fázové posunutí.

Obvod s indukčností Odezva ve stejnosměrném obvodě V stejnosměrném obvodě bude připojenému napětí odpovídat exponenciální průběh proudu 

t

i  I  .(1  e  )

L (časová konst.). Proud se R U ustálí na hodnotě I  R



Obvod s indukčností Odezva ve střídavě napájeném obvodě V obvodě s napájením střídavým napětím bude cívkou protékat proud, vytvářející magnetický tok, který je s ním ve fázi. ut   U m . sin t it   I m . sin(t   )

Tento tok je časově proměnný a v závitech cívky bude indukovat napětí, které o 90° elektrických stupňů předbíhá proud. Elektromotorické napětí vznikající touto časovou změnou di u i   L. se projevuje jako zdánlivý odpor, dt který označujeme jako induktivní reaktanci X L   .L  2 . f .L() proud v obvodě je dán U vztahem I  XL Indukčnost zpožďuje proud za indukovaným napětím

19

Obvod s kapacitou Při napájení stejnosměrným napětím se Při napájení střídavým napětím sinusového kondenzátor za určitou dobu nabije na průběhu se bude kondenzátor periodicky napětí rovné napětí zdroje a proud zanikne. nabíjet a vybíjet. Kondenzátor tedy představuje Nabíjecí proud kondenzátoru pak má průběh vodivost. Okamžitá hodnota kapacitního proudu ic je dána časovou změnou elektrostatického du d dQ indukčního toku iC    C. c dt dt dt Pro amplitudy proudu a napětí platí vztah: U 1 XC  C  tento výraz označujeme jako I C  .C kapacitní reaktance jednotkou je Ω Obvody střídavých proudů se řeší obdobně stejnými metodami jako u stejnosměrného proudu. Příklad řešení obvodu se seriově zapojenými prvky R, L (toto řazení v podstatě představuje reálnou cívku,– vinutí stroje, které představuje odpor navinutého vodiče R a indukčnost L). Náhradní schéma reálné cívky je na následujícím obraze.

Obr. č. Náhradní schema reálné cívky Vycházíme z poznatku seriově řazených prvků, kde víme, že všechny prvky mají stejný proud a z druhého Kirchhoffova zákona, který se týká napětí. Svorkové napětí zdroje (má sinusový periodický průběh) je rovno vektorovému součtu jednotlivých úbytků napětí. U  Z .I  R.I  j. X L .I vyjádřeno v komplexní formě (j komplexní jednotka –imaginární osa) Podělíme li výraz proudem, získáme vztah : Z  R  j.X L , kde Z představuje impedanci obvodu(Ω), jejíž absolutní hodnota Z  R 2  X L2

(Ω)

Sestrojíme vektorový diagram. Vycházíme ze společného proudu I, který je ve všech prvcích stejný (zakreslíme do reálné osy). Nyní zakreslíme průběhy napětí. Napětí na rezistoru UR =R.I je ve fázi s proudem, který jej vytváří (vynáším na osu x). Napětí na indukčnosti předbíhá proud o 90°tudíž jej zakreslíme na imaginární osu j (osa y). Výsledné napětí je dáno vektorovým součtem obou úbytků.Výsledné fázové posunutí napětí vůči proudu je úhel  . Obdobně se řeší obvod s kapacitou (představuje kapacitní reaktanci XC), indukčností (představuje induktivní reaktanci XL) a rezistorem (rezistence R). Dle II. Kirchhoffova zákona lze napsat vztah pro svorkové napětí U: 1 U  Z .I  R.I  j. X L .I  j. X C .I  R.I  j.I .( .L  ) kde U, I jsou efektivní hodnoty  .C

20

Úpravou lze získat vztah pro impedanci tohoto obvodu: Z 

U Max  I Max

R 2  ( .L 

1 2 )  .C

Opět lze nakreslit diagram proudu a dílčích napětí Fázové posunutí proudu vůči napětí lze vyjádřit pomocí vztahu tg  ( .L 

1 )  .C

1  0 nastane stav rezonance, obvod vykazuje nejmenší  .C impedanci rovnou pouze ohmickému odporu.Tento stav nastane při rezonanční frekvenci 1 r  LC

Nastane li stav, že  .L 

5.3 Výkon střídavého proudu Průchodem proudu je tedy vytvářena práce, která vyjádřená za jednotku času nám definuje výkon: okamžitý p(t)=i(t) u(t). Pro střídavý proud definujeme průměrný výkon, který označujeme jako efektivní činný výkon

T

1 1 P  . u.idt  U m ax .I max . cos   U ef .I ef . cos  T 0 2 Jednotkou činného výkonu je W – watt Činný výkon je tedy dán součinem napětí a činnou složkou proudu (průmět vektoru proudu do vektoru napětí) Výraz I ef . cos  je tak zvaná činná složka proudu,výraz cos  se označuje jako účiník

V praxi je hodnota účiníku cos  důležitým parametrem. Dále definujeme

jalový výkon P  U ef .I ef . sin 

I ef . sin  je jalová složka proudu a reprezentuje složku magnetizačního proudu, jednotkou je VAr- voltampér reaktanční

zdánlivý výkon P  U ef .I ef

jednotkou je voltampér

5.4 Třífázová soustava Vznik třífázového napětí Rozložíme li prostorově po obvodu statoru tři cívky a budeme li otáčet magnetickým polem vytvořeným elektromagnetem, respektive permanentním magnetem, budou se postupně v jednotlivých cívkách indukovat tři časově o 120° posunutá napětí.

21

Tyto tři oddělené zdroje je možno spojit dvěma způsoby : - do hvězdy Y: spojíme začátky vinutí nebo konce vinutí do uzlu - do trojúhelníku  : spojíme začátky vinutí jedné fáze s konci vinutí sousední fáze

Obr. Napěťové poměry při spojení do Y a do  Takovým spojením pak dosáhneme určitých vlastností třífázového systému.Tímto způsobem lze spojovat jak zdroje, tak i spotřebiče.Zatížíme li takový třífázový zdroj, začnou jednotlivými fázemi protékat proudy, které jsou rovněž časově o 120°. posunuty, navíc podle charakteru zátěže bude docházet v každé fázi k fázovému posunutí mezi proudem a napětím (vysvětleno u jednofázového proudu). Pro třífázový systém platí, že součet okamžitých hodnot napětí je roven nule.Budou li jednotlivé fáze stejně zatěžovány, bude proud v uzlu rovněž nulový.Podíváme li se na následující obrázek, vidíme, že při spojení do hvězdy (Y) je mezi fází a nulovým vodičem (uzlem) fázové napětí (v sítích nn je efektivní hodnota 230V), mezi fázemi naměříme sdružené napětí U S  3.U f (v distribuční síti to bude 400V). Při spojení do trojúhelníka () naměříme mezi uzly sdružené napětí (400V). Tyto poměry platí jak pro zdroj (třífázový alternátor), tak i pro zátěž (třífázový spotřebič). Výkon střídavého proudu v třífázové síti pak bude stanoven jako trojnásobek jednofázového výkonu, napětí ovšem bude dosazováno fázové nebo sdružené podle spojení (Y nebo  ) a dále bude nutno vzít v úvahu spojení čímž je ovlivněn proud – výsledná impedance mezi výstupními svorkami. Při spojení do trojúhelníku je impedance mezi svorkami Z Y  3.Z  Výkon třífáz. proudu se tedy stanoví P  3.U .I . cos  Nyní záleží na spojení (spotřebiče, generátoru) U Při spojení do hvězdy bude P  3.U f .I Y . cos   3. S .I y . cos ´ 3.U S .I Y . cos  = 3

22

.U f , I Y . …fázové napětí, ef.hodnota proudu v jedné fázi při

spojení doY Při spojení do trojúhelníka

P  3.U S .I  . cos 

3.U f US   3.I Y ZY Z 3 Z toho vyplývá, že proud při spojení do  je třínásobně větší ve srovnáním se spojením do Y. Výkon zátěže při spojení do  bude rovněž trojnásobný. Obdobně to bude platit pro zdánlivý a jalový výkon. proud při spojení do  I  

6. Energetické zdroje Elektrická energie se vyrábí dvěma způsoby. Buď přeměnou chemické nebo sluneční energie na elektrickou v článcích nebo přeměnou mechanické energie na elektrickou v točivých strojích - generátorech. Z hlediska požadovaných výkonů má rozhodující význam výroba energie v točivých generátorech. Generátor je točivý stroj pracující na principu elektromagnetické indukce, mechanicky spojený s turbínou, ve které dochází k přeměně tepelné energie, respektive k přeměně jímané vodní energie na mechanickou práci. Tepelná energie je pak získávána různými způsoby z různých energetických zdrojů. Jelikož se pro přenos energie používá střídavého proudu, používá se tedy k výrobě generátorů na střídavý proud, které nazýváme alternátory. Střídavý proud se ukázal pro přenos jednoznačně výhodnější, neboť se dá jednoduše transformovat na vysoká napětí, což má výhodu ve snížení ztrát ve vedení pro vlastní dálkový přenos a opět se dá měnit na nižší napětí používaná spotřebiteli.

6.1 Prvotní zdroje energie – elektrárny Prvotní zdroje energie lze charakterizovat z různého pohledu: -

vyčerpatelné zdroje - uhlí, plyn, ropa

-

nevyčerpatelné zdroje - vodní energie, větrná, solární a jaderná

Přeměnu prvotní energie provádíme v energetických zařízeních, jako jsou tepelné elektrárny, jaderné elektrárny, hydroelektrárny nebo větrné elektrárny. 6.2 Tepelné elektrárny Princip přeměny energetického obsahu fosilního paliva (uhlí, plynu) na tepelnou energii, která se v turbíně mění na energii mechanickou a v alternátoru na energii elektrickou, znázorňuje obr. č. 12a, b. Turbína s alternátorem představuje ucelené soustrojí a označuje se jako turboalternátor, který tvoří se spalovacím kotlem hlavní část parní elektrárny na spalování fosilních paliv. Uhelné elektrárny jsou základem naší energetické soustavy. V

23

současné době byla dokončena akce jejich odsíření, čímž se dosáhne odstranění ekologických následků, způsobených jejich provozem. U uhelné elektrárny dochází tedy spalováním uhlí v kotli (K) k přeměně jeho energetického obsahu, tedy chemické energie na tepelnou energii ve formě přehřáté páry, která vstupuje do parní turbíny (T), kde dochází k další energetické přeměně na mechanickou energii. Turbína je mechanicky spojena s generátorem střídavého proudu (G), který mění mechanickou energii na elektrickou.

Obr. č. 12a Schéma přeměny energie

Obr. č. 12b Blokové schéma parní elektrárny

24

6.3 Vodní elektrárny Využití vodní energie představuje jeden z nejekologičtějších energetických zdrojů. Vodní elektrárny jsou trvalým energetickým zdrojem s nízkými výrobními náklady, malou poruchovostí, dlouhou životností a výhodností z hlediska ekologie. Naše země ovšem nedisponuje výhodnými vodními toky z hlediska množství a spádových podmínek jako například sousední Rakousko nebo Švýcarsko, kde jen ve Švýcarsku je v provozu asi 550 vodních elektráren o výkonu10000 MW. V naší republice kryjí vodní elektrárny asi 3 % z celkového výkonu, což činí asi 2200 MW. Malé vodní elektrárny stavěné na vodních tocích sice představují určitou ekologicky výhodnou energii, ale z hlediska celkové spotřeby to však prozatím představuje velmi nízké procento. Z průzkumu využití našich vodních toků je uváděno, že kdybychom okamžitě začali využívat asi 50 % unikající energie vodních toků, mohli bychom ušetřit například výstavbu jedné jaderné elektrárny o výkonu 1000 MW, nebo ušetřit například na každou jednu kWh vyrobené energie z vodního zdroje 5 kg nafty nebo 0,5 m3 plynu. Na obr. č. 13 je zobrazeno principielní řešení vodních turbín. U vodní turbíny dochází k přeměně potenciální respektive kinetické energie na mechanickou. V alternátoru se pak mění mechanická energie na elektrickou. Celé soustrojí je pak označováno jako hydroalternátor. Zvolený typ turbíny je otázkou spádových podmínek a průtočného množství. Například pro velké spády a malé průtokové množství bude výhodná Peltonova turbína a naopak pro malé spády a velká průtočná množství Kaplanova turbína.

Kaplanova turbína

Peltonova turbína

Francisova turbína

Obr. 13 Funkční schema alternativního řešení turbín Zvláštní variantu představují přečerpávací elektrárny sloužící k akumulaci energie. Těchto elektráren se využívá ke krytí odběrových špiček. U nás byla vybudována přečerpávací elektrárna Dlouhé stráně s dispozičním výkonem 2 X 360 MW. Jejím posláním je především akumulovat nevyužitý výkon zejména z jaderných elektráren a dodávat tento výkon v době energetických špiček. Uspřádání přečerpávací elektrárny je zobrazeno na obr. 14.

25

Obr. č. 14 Pohled na uspořádání přečerpávací elektrárny 6.4 Jaderné elektrárny Tyto elektrárny pracují na principu štěpení jaderného paliva jímž je uran U238 obohacený štěpitelným U235. Moderátorem a současně chladivem je lehká demineralizovaná voda s obsahem kyseliny borité. Při reakci je uvolňována tepelná energie. Princip a uspořádání jaderné elektrárny znázorňuje obr. č. 15, kde jsou znázorněny dva typy reaktorů, starší varianta, tak zvaný varný typ a v současnosti u nás používaný tlakovodní typ. U tlakovodního typu probíhá termojaderná reakce v reaktoru, který tvoří silnostěnná tlaková nádoba. V ní je uložena aktivní zóna reaktoru, složená ze svazků palivových proutků. Reaktorovou nádobou protéká voda, která slouží nejen pro přenos tepelné energie ale současně slouží jako zpomalovač (moderátor) neutronů i jako chladivo. Tato voda je pod vysokým tlakem a tudíž se nedostane do varu. Její teplota dosahuje asi 300o C. Potrubím primárního okruhu za pomoci vysokotlakých čerpadel proudí do parogenerátoru, kde přes stěny trubek (výměník) ohřívá vodu sekundárního obvodu, kde jsou již nižší tlaky. Voda v sekundárním obvodu se odpařuje a mění v páru, která je přiváděna přes separátor (odlučovač kapek vody od páry) do parní turbíny, kde se přeměňuje na mechanickou energii, která pohání alternátor. Velikost výkonu reaktoru a tím i množství předávaného tepla jsou dány počtem rozštěpených atomových jader. Ke štěpení jader dochází působením neutronů a regulací jejich počtu tedy měníme výkon. To se technicky provádí např. přivedením boru, který je absorbuje a tím se zpomalí nebo zastaví řetězová reakce. Technicky je to provedeno zasouváním regulačních tyčí, které obsahují absorpční látku. Podstatný rozdíl tohoto typu reaktoru proti varnému typu, který byl v černobylské elektrárně, je v tom, že tlakovodní reaktor se sám reguluje. Jestliže jeho výkon roste, zhoršují se podmínky pro štěpení a v zápětí se vzrůst výkonu samovolně zastaví. A navíc, pokud by z reaktoru z jakéhokoliv důvodu unikala voda, zastaví se v něm i štěpení. Varný typ reaktoru používal přímého ohřevu vody, která přímo vstupovala do turbíny. Reaktor RBMK je tak zvaný varný a reaktivní pára jde přímo do turbíny. Reaktor sestává z mnoha tlakových kanálů a má složitý chladící systém. Nekontrolovatelný vzrůst výkonu, ke kterému došlo v Černobylu, tedy u tlakovodního systému není zde možný.

26

Obr. č.15 Blokové schéma obou provedení reaktorů 6.5 Větrné elektrárny Mezi nevyčerpatelné zdroje patří i větrné elektrárny. Významné postavení v energetice bude mít tento alternativní zdroj především v těch státech, kde jsou příznivé povětrnostní podmínky. Budou to především přímořské státy jako je například Dánsko, kde je instalováno 4000 turbín s výkonem 500 MW a západní pobřeží USA, kde se touto energií kryje značná část spotřeby. Například větrná pole blízko Kalifornie disponují výkonem kolem 380 MW. U nás jsou prozatím umístěny větrné elektrárny ve dvou lokalitách Jeseníků, ale jejich výkon je vzhledem k nepříznivým podmínkám vnitrozemí prakticky v energetické síti zanedbatelný. Na obr. č.16 je zobrazen agregát větrné elektrárny. Vrtule jímá kinetickou energii větru a mění ji na mechanickou práci, která je pak v alternátoru přeměněna na elektrickou energii. Z hlediska konstrukčního se můžeme setkat se dvěma variantami řešení. Převažující řešení je s asynchronním alternátorem, druhá varianta se synchronním alternátorem je řešením podstatně složitější.

27

Obr. č. 16 Pohled na agregát větrné elektrárny

6.6 Solární zdroje energie Vědecký výzkum sleduje novou cestu přímé přeměny chemické nebo sluneční energie v elektrickou. Příkladem jsou palivové a solární články. Prozatím účinnost těchto přeměn a pořizovací náklady nedovolují náhradu stávajících zdrojů, kde se dociluje podstatně vyšších účinností. Jako nejmladší z využívaných nevyčerpatelných zdrojů energie je solární energie, která je buď přímo využívána k ohřevu a nebo je přeměňována v solárních článcích přímo na elektrickou energii. Účinnost tohoto nevyčerpatelného zdroje je prozatím nízká a cenová relace solárních článků vysoká, což prozatím brání širšímu uplatnění tohoto zdroje. Na obr. č. 17 jsou znázorněny solární články využívající fotovoltaického jevu. Tohoto jevu se začíná využívat i jako přímého zdroje pro pohon elektrovozidel, respektive pro jiný trakční pohon. Příkladem je napájecí stanice v německém Bad Schandau, kde je vybudována solární stanice

28

pro napájení lokální dráhy. Pokud není zajištěn trakční odběr, je energie rekuperována do energetické sítě přes statické měniče. Vědecký výzkum sleduje i druhou novou cestu přímé přeměny chemické energie v elektrickou. Příkladem jsou palivové články, ve kterých dochází k přímému chemickému redukčně oxidačnímu procesu (kyslík, vodík) přičemž vzniká elektrický proud a dalším výstupním produktem je voda. Jde tedy o ekologicky čistý zdroj elektrické energie, prozatím ovšem ještě technicky obtížněji řešitelný a cenově drahý. S touto variantou se spíše počítá jako s alternativním zdrojem v pohonech automobilů.

Obr. č. 17 Pohled na panely se solárními články Z energetického hlediska nás pak bude zajímat energetická bilance výroby a přenosu. Můžeme pak konstatovat, že rozhodující vliv na účinnost celého systému bude mít účinnost prvotního zdroje. To znamená, že rozhodující bude vlastní přeměna, ke které dochází spalováním uhlí, rozpadem hmoty – termojadernou reakcí nebo jímáním energie vodního spádu popřípadě větru. Účinnost prvotních zdrojů: -

parní elektrárna (spal. uhlí) 30 – 35 %

-

jaderná elektrárna 30  výhledově se předpokládá až 45 

-

vodní elektrárna 73 – 78 %

Pak na výrobu jedné kilowatthodiny bude například potřebné dodat měrnou energii: -

u parní elektrárny při předpokládané účinnosti 33,8  bude nutné na výrobu jedné kilowatthodiny vydat energii 3600kJ, měrná spotřeba je pak udána:

wp 

-

3600 3600  100   100  10 650,9 kJ/kWh C 33,8

(51)

u vodní elektrárny je na výrobu 1 kWh je nutno dodat energii 3600 kN.m, měrná spotřeba pak bude při účinnosti 73 %:

wv 

3600  4 929,8  4 930 kN  m/kWh 0,73

29

(52)

Pro výpočet spotřeby paliva je dále nutno znát energetický obsah (výhřevnost) jednotlivých druhů paliv: černé uhlí

q  11.10 3 kWh

hnědé uhlí

q  7.10 3 kWh

nafta

q  11,5.10 3 kWh

uran 235

q  2,7.10 7 kWh

t t t

kg

Účinnost parní elektrárny je možno zvýšit tím, že část tepelné energie se využije na vytápění. Takové zařízení nazýváme teplárnou a lze tímto uspořádáním dosáhnout až osmdesáti procentního využití tepelné energie. Myšlenku kombinované výroby elektřiny a tepla prosazoval u nás již před šedesáti lety profesor List z brněnské techniky.

30

7. Výroba a distribuce elektrické energie v České republice Další částí energetického řetězce je přenos energie od energetického zdroje ke spotřebiteli. Ten je realizován přenosovými soustavami. Tok energie z elektrárny ke spotřebiteli je zjednodušeně znázorněn na obr. č. 18.

3 x 400V 230 V

Obr. č. 18 Princip přenosu energie energetickou soustavou Přenos energie se děje prostřednictvím přenosových soustav. Nadřazené soustavy 220 kV a 400 kV jsou provozovány ČEZ, regionální sítě 110 kV, 22 kV, 0,4 kV jsou provozovány oblastními rozvodnými energetickými závody. Na obr. č. 19 je znázorněna nadřazená přenosová soustava ČEZ, kde jsou vyznačeny přenosové sítě 220 kV a 400 kV. Elektrizační soustava je pak spojena dále s energetickými systémy evropských přenosových soustav. Se západoevropským systémem bylo provedeno spojení přes přenosovou měnírnu nacházející se mezi bavorským Weidenem a naším Rozvadovem, kde se střídavý proud měnil na stejnosměrný a ten opět na střídavý požadovaných parametrů dané energetické soustavy země. V současné době jsou již systémy obou zemí přímo propojeny. V zahraničí se používá pro dálkové přenosy i vyššího napětí, a to 750 kV. V USA a SNS se budují pro přenosy na velké vzdálenosti přenosové systémy se stejnosměrným proudem o napětí 1500 kV.

31

Stejnosměrný přenos je z hlediska ztrát pro přenos velkých energií výhodnější, navíc se uspoří počet vodičů. Přehledná mapa naší přenosové soustavy je na obr. č. 19.

Obr. č. 19 Přenosové soustavy v ČR Výrobu a distribuci elektrické energie v České republice zajišťují: Elektrárenská společnost ČEZ, a.s. - vyrábí a prodává elektřinu a teplo - zajišťuje vývoz, dovoz a tranzit elektřiny - zajišťuje zpracování a ukládání radioaktivních odpadů - stará se o rozvoj obnovitelných zdrojů a nových forem užití elektřiny - provádí údržbu a modernizaci energetických zařízení Rozvodné energetické závody - mají regionální působnost - provádějí distribuci a prodej elektřiny spotřebitelům - zajišťují provoz vedení o napětí 110 kV a nižším Závodní elektrárny a soukromí malovýrobci -

zásobují spotřebitele jen v místě, popřípadě dodávají přebytek energie do energetické sítě

32

Základní údaje o energetických zdrojích ČEZ : Výroba energie v uhelných elektrárnách jaderná elektrárna Dukovany Temelín vodní elektrárny (celkově) přečerpávací elektrárna Dlouhé Stráně

7367 MW 4 × 440 MW 2 × 981 MW 1872 MW 2 × 380 MW

Celkový instalovaný výkon našich hlavních energetických zdrojů je asi 13 000 MW (stav k 31.12.2001). Zde je nutno podotknout, že v blízké budoucnosti lze očekávat, že se na našem trhu energie uplatní i jiní zahraniční výrobci a distributoři. 8. Bezpečnost práce s elektrickým zařízením Z hlediska bezpečnosti před úrazem elektrickým proudem se provádí ochrana před nebezpečným dotykem jak živých částí, tak i neživých částí. Tato ochrana se provádí buď použitím bezpečného napětí, které nepředstavuje ohrožení. Tato napětí jsou stanovena normou ČSN v závislosti na prostředí a konfiguraci obvodu (SELV, PELV). Pro normální suché prostředí je to 25 V  a 60V=, pro ostatní prostory (vlhké…) to je 6V a 15 V=. V druhém případě ochranu provádíme tím, že omezíme ustálený proud, který by ohrozil lidský organizmus na hodnotu3,5 mA  a 10 mA = , nebo omezením Provedení elektrických předmětů Elektrické spotřebiče jsou rozděleny do 3 kategorií Ochrana živých částí před nebezpečným dotykem se provádí: -

ochranou izolací (základní izolace, přídavná izolace, dvojitá izolace)

-

ochranou krytím

-

ochranou zábranou

-

ochranou polohou doplňkovou ochranou

Ochrana neživých vodivých částí, kterých se obsluha chopí rukou -ochrana samočinným odpojením od zdroje v sítích TN, TN - C

Distribuční sítě mohou být provedeny v několika variantách, které jsou zobrazeny na následujícím obraze: Sítě TN – C- třífázová síť s uzemněným nulovým bodem. kde vyvedený nulový bod plní funkci středního vodiče (N)a ochrannou funkci (PE) . Na území ČR jsou nejrozšířenější obr. a) Sítě TN – S tato síť má vyvedený a rozdělený vývod uzlu na N a PE – obr. b) Sítě TN – C – S představují kombinaci dvou předchozích sítí obr. c) Obr č.Princip zapojení při ochraně samočinným odpojením od zdroje v síti: a/ TN – C b/ TN – S c/ TN – C - S 33

Ochrana před nebezpečným dotykem neživých částí se pak provádí určitým zapojením v závislosti na druhu sítě, jak je uvedeno na následujícím obraze..

34

9. Elektromotory Princip činnosti elektromotoru je založen na poznatku silového působení magnetického pole na vodič protékaný proudem, který se v tomto poli nachází. V každém elektromotoru v podstatě probíhají tři základní jevy: - magnetoelektrický jev- vytvoření magnetického toku (stálého u stejnosměrných strojů, nebo točivé magnetické pole u indukčních strojů) - elektrodynamický jev (je hlavní jev – při němž dochází k silovému působení magnetického pole na vodiče protékané proudem F=B.I.l) - indukční jev (pohybem vodičů v magnetickém poli se v nich indukuje napětí u i  B.l.v ) Vlastní provedení elektromotoru bude nyní vycházet z vlastní realizace fyzikálního principu, způsobu napájení rotoru a druhu napájecího proudu DC, AC). Z těchto hledisek lze elektromotory rozdělit: z hlediska provozního na komutátorové a bezkomutátorové z hlediska napájecího proudu na stejnosměrné a střídavé Konstrukčně každý elektromotor sestává z elektrického a magnetického obvodu, které jsou uloženy v kostře motoru (patkové respektive přírubové provedení). Magnetický obvod je rozdělen vzduchovou mezerou. Jedna část magnetického obvodu je uložena ve statoru, druhá část v rotoru. Podle toho jaký magnetický tok bude danou částí obvodu procházet, je nutno jej na tento tok přizpůsobit.Bude li procházet střídavý tok, je nutno magnetický obvod vytvořit z dynamových plechů, abychom omezili ztráty vířivými proudy.U stálého toku bude magnetický obvod tvořit homogenní feromagnetický materiál (ocel, litina). Elektrický obvod pak představuje statorové a rotorové vinutí (budící vinutí a vinutí kotvy). 9.1 Komutátorové motory a/ napájené stejnosměrným napětím (stejnosměrné -DC motory)

35

b/ napájené střídavým proudem (střídavé komutátorové motory jednofázové a třífázové) 9.2 Stejnosměrné motory lze dále rozdělit z hlediska buzení magnetického toku – s cizím buzením –to může být provedeno permanentními magnety nebo elektromagnety s vlastní buzením- budící vinutí je zapojeno společně s kotvou a je napájeno ze společného zdroje. Podle zapojení pak dělíme tyto motory na - sériové, derivační a kompaundní Zapojením budícího vinutí vůči vinutí kotvy , získává elektromotor charakteristické provozní vlastnosti. Na obr. č. je zobrazeno zapojení seriového motoru (obr. a) na obr. (b) je zapojení motoru s cizím buzením. Z hlediska provozního nás bude zajímat průběh momentu v závislosti na otáčkách M=f(n). Z tohoto hlediska má například pro trakční pohony vhodnou charakteristiku především stejnosměrný seriový motor.

Obr.č. Pohled na řez stejnosměrného motoru

Obr. č. Schema zapojení stejnosměrného seriového a cizebuzeného motoru Schematicky zakreslujeme stejnosměrný stroj normovaným znakem (kotva stroje se kreslí kroužkem s kartáči, budící vinutí třemi obloučky).Regulace otáček stejnosměrných motorů se provádí změnou svorkového napětí, předřadným odporem a zeslabováním buzení U  R K .I K n  k. S  kde US je svorkové napájecí napětí, IK proud kotvy (rotoru) a RK odpor kotvy,  je magnetický tok hlavních pólů.

36

9.3 Bezkomutátorové motory Motory na střídavý proud – indukční – asynchronní – s kotvou nakrátko - s kotvou kroužkovou - synchronní – s permanentními magnety elektromagnet. buzením

Zvláštní provedení motorů

krokové motory lineární motory

9.4 Indukční motory – asynchronní Asynchronní motor se stal po svém objevení (vynalezen slovanským badatelem N. Teslou 1885 –1886 žijícím v USA) nejrozšířenější pohonářskou jednotkou u běžných dynamicky nenáročných pohonů. Stal se jím díky svým přednostem jako je konstrukční jednoduchost, provozní spolehlivost, momentová i proudová přetížitelnost, nízká hmotnost a menší geometrické rozměry, kdy komutátor zaujímá asi třetinu délky stroje a v neposlední řadě jsou to minimální nároky na údržbu. Klíčovou jeho nevýhodou zůstávala problematická regulace otáčivé rychlosti. Tuto nevýhodu, která omezovala jeho použitelnost změnil nástup elektroniky a mikroprocesorové techniky. Tyto vědecké poznatky umožnily stavbu statických měničů kmitočtu, které v podstatě nahradily komutátor (mechanický rotační střídač). Princip působení Vyjdeme z prvního uplatňovaného jevu – vzniku točivého magnetického pole. Vezmeme li tři cívky a ty prostorově rozložíme po obvodu statoru (o 120°), konce cívek spojíme dohvězdy(Y) respektive do  a konce vinutí připojíme k třífázovému zdroji napětí, která jsou o 120°(elektrických) časově posunuta, dosáhneme v našem případě rozdělení proudovodičů statorového vinutí do dvou pólových skupin.Bude li se v jednotlivých vodičích postupně měnit směr napětí, tím se bude měnit i směr proudu a výsledné magnetické pole se bude postupně otáčet (dosáhli jsme stavu jako bychom otáčeli dvoupólovým magnetem určitou otáčivou rychlostí). Na obr. č. jsou nakresleny jednotlivé stavy v časových intervalech a,b,c . Ve vodičích se postupně mění směr proudu a tím se výsledné pole vytvářené vodiči statoru otáčí.

37

Obr. č. Vznik točivého magnetického pole.

Vzniklé pole se tedy otáčí synchronními otáčkami, které jsou definovány vztahem

n

60. f p

Kde p představuje počet vytvořených pólových dvojic (konstrukčně se toho dosáhne počtem cívek a jejich rozložením). Lze tedy vytvořit dvoupólový stroj 2p=2, čtyřpólový stroj 2p=4 atd. f….. je frekvence napájecího napětí Je nutno ještě připomenout, že velikost magnetického toku při otáčení je stálá, závislá na napětí (vyplývá to z poznatku že součet proudů jednotlivých fází v každém okamžiku u třífázového systému je roven nule). Druhý jev, který je zde uplatněn je jev indukční. Vložme po obvodě dutiny statoru vodiče. Podle indukčního zákona bude točivé magnetické pole indukovat do stojících vodičů rotoru

Obr.č. Rotorové vinutí nakrátko - klec

Napětí u i  B.l.v (jehož směr určíme Lenzovým pravidlem pravé ruky). Toto napětí pak bude závislé na rozdílu otáčivé rychlosti točivého pole a rychlosti rotoru, což označujeme jako skluz Spojíme li tyto vodiče nakrátko, začne vodiči rotoru (kotva nakrátko)vlivem indukovaného napětí protékat rotorový proud. Ten vytvoří magnetické pole rotoru a tato dvě

38

pole budou na sebe silově působit. Uplatňuje se zde tedy třetí jev elektrodynamický – silové působení magnetického pole (statoru) na vodič protékaný proudem F  B.l.I nebo jinak vyjádřeno vytváří vodič točivý moment vůči ose rotoru M  k ..I k , kde  je velikost magnetického toku statoru a I k proud rotoru, závislý na indukovaném rotorovém napětí a rotorové impedanci , která je funkcí rotorového kmitočtu. Energie do rotoru se tedy přenáší indukcí, což je jedna z největších předností tohoto motoru (indukční motor). Aby se v rotoru indukovalo napětí musí být rotorové otáčky vždy menší než otáčky točivého pole (poměrný n  n2 rozdíl otáček označujeme jako skluz s  1 ) tedy skutečné otáčky motoru n  n1 .(1  s ) n1 Proto tento motor označujeme jako asynchronní. Jakmile se začnou vlivem vyvíjeného momentu otáčet rotorové vodiče, skluz se snižuje. Z provozního hlediska nás bude u elektromotoru zajímat vyvíjený točivý moment v závislosti na otáčkách. Ten je tedy dán magnetickým tokem statoru (ten závisí na napájecím napětí statoru) a rotorovém proudu, který je dán indukovaným rotorovým napětím). Vyjdeme li tedy z chodu naprázdno, kdy motor vyvíjí určitý moment na krytí ztrát třecích a ventilačních a začneme li tento motor zatěžovat, bude se skluzem vlivem rostoucího napětí rotoru rotorový proud narůstat a soči toku statoru a Ik poroste.Rotor se bude ovšem stále více magneticky nasycovat ( ( R  I R ) a magnetický tok statoru již nebude celý vstupovat do rotoru a bude se uzavírat přes vzduchovou mezeru (této jev označujeme jako rozptyl toku), tím součin M  k ..I k dosáhne v určitém bodě maxima (maximální moment označený jako moment zvratu) a od tohoto bodu bude rozptyl větší než nárůst rotorového proudu a moment se bude snižovat Při nulových otáčkách pak vyvíjí jen určitý moment (záběrný), přičemž odebírá maximální proud ze sítě. To je ve srovnání se stejnosměrným motorem nevýhodné. Průběh momentu je znázorněn na obr. č. Způsoby řízení otáčivé rychlosti asynchronního motoru vyplývají z otáčkové rovnice

n  n1 .(1  s ) 

60. f .(1  s) p

1/ přepínáním počtu pólů tento způsob se provádí přepínáním vinutí , kde lze dosáhnout jen skokové regulace (2 pól /4 pól) 2/ změnou skluzu tu lze vyvolat zařazením odporu do obvodu rotoru. Této metody se používá při spouštěn, kdy je třeba omezit spouštěcí proud a dosáhnout nejvyššího momentu (motory s kotvou kroužkovou) 3/ změnou napájecí frekvence Tento způsob regulace je realizovatelný teprve v poslední době, kdy díky novým samovypínatelným polovodičovým prvkům bylo možno postavit výkonové frekvenční měniče. Jde o poměrně složitou technickou záležitost, která vyžaduje v této problematice hlubší znalosti. V podstatě se podařilo přenést problémy rotačních komutátorů do statického měniče. To rozšířilo aplikační užití asynchronních motorů i do oblasti regulovaných pohonů, což bylo do nedávné doby nerealizovatelné. Dnes jsme svědky náhrady stejnosměrných pohonů v pohonech trakčních vozidel, kde představuje tento pohon revoluční změnu. Doposud převážně používaný stejnosměrný seriový motor je nahrazen provozně spolehlivějším , rozměrově menším a bezúdržbovým motorem. Provozní vlastnosti ASM

39

Průběh momentové charakteristiky m=f(n)

Z charakteristiky, která je nakreslena pro oba kvadranty (oba směry chodu) vyplývá, že ASM vyvíjí z klidu záběrný moment MZ bod A, bod B vyjadřuje nominální moment, který je udán na štítku motoru, synchronních otáček nemůže dosáhnout(ND), nejvyšší moment (moment zvratu ) dosahuje při určitém skluzu(K). Poměr momentu zvratu a nominálního vyjadřuje jeho momentovou přetížitelnost. Reverzace tohoto motoru se provádí záměnou sledu dvou fází. Spouštění – nevýhodou tohoto motoru je, že při rozběhu nevyvíjí maximální moment a odebírá maximální proud. Ten činí 5 – 8 násobek jmenovitého proudu. Z toho důvodu je nutné provádět opatření na jeho omezení. Technicky se to řeší přepínáním vinutí Y/  . Odůvodnění bylo provedeno v kapitole třífázová soustava. Budeme li otáčet indukčním motorem vyššími otáčkami jako jsou synchronní, pracuje motor jako generátor a vrací energii do sítě a vyvíjí na hřídeli brzdný moment.

9.5 Synchronní motor Stator je prakticky konstrukčně stejný - rozložené třífázové vinutí, rotor tvoří elektromagnet, respektive permanentní magnet viz. obr. 40

Pro regulaci otáček platí stejné způsoby jako u motoru asynchronního 10. Měřící přístroje a měření Měřící přístroje tvoří skupinu elektrotechnických přístrojů sloužících k měření provozních veličin. Měření lze rozdělit na dvě skupiny: -

měření elektrických veličin

-

měření neelektrických veličin

Měřící přístroje využívají pro svoji činnost poznatků fyzikálních zákonů. Například nejčastěji elektromagnetického jevu.Tyto přístroje lze rozdělit z několika hledisek: Rozdělení podle měřené veličiny: voltmetry, ampérmetry, wattmetry, ohmmetry, elektroměry, kmitoměry,technické můstky na měření indukčnosti a kapacity. Podle zpracování měřeného signálu na analogové a digitální Analogové měřící přístroje představují starší generaci měřící techniky, která se ovšem stále používá a v některých případech je nenahraditelná. Každý elektrický měřící systém sestává z vlastního měřícího systému, který pracuje na určitém fyzikálním principu a příslušenství, které jej specifikuje na požadovaný přístroj(ampérmetr, voltmetr….) a zajišťuje změnu jeho rozsahu. U analogových měřících přístrojů se používá následujících systémů: magnetoelektrickém (V, A, ohmmetry) elektromagnetickém (V,A) elektrodynamickém (V,A,W) indukčním (elektroměry) rezonančním (kmitoměry)

10.1 Voltmetry Sestává z měřícího systému, který je specifikován odporem a proudem nebo napětím pro plnou výchylku a předřadným odporem RP, který zajišťuje požadovaný napěťový

41

U Dalším důležitým faktorem měř. přístroje je spotřeba, US která závisí na systému. Voltmetr zapojujeme paralelně k měřenému objektu. Vstupní odpor voltmetru požadujeme co nejvyšší, např. 1 MΩ. rozsah RP  (n  1).RS , kde n 

10.2 Ampérmetry Podstata ampérmetru spočívá v měření úbytku napětí na odporu Rb, který je velmi malý. Jeho R I velikost se stanoví Rb  S , kde n  Změna rozsahu se provádí právě změnou Rb. n 1 IS Ampérmetr zapojujeme sériově do obvodu, kde měříme proud. Odpor ampérmetru by mě být minimální (např. 0.1 Ω). 10.3 Wattmetry Převážně používají elektrodynamického systému – dvě cívky jedna s velkým počtem závitů zapojená jako voltmetr, druhá proudová zapojena jako ampérmetr. Podle zapojení pak mohou wattmetry měřit jak činný, tak jalový výkon. otoč. cívka

otoč. cívka

I2 Zdroj napětí

pev. cívka U1

I

W I1

U

W Zdroj napětí

Z

a) zapojení s chybou v napětí

I1

I2

I U1 = U

Z

b) zapojení s chybou v proudu

Obr. Měření výkonu na zátěži Z pomocí elektrodynamického wattmetru

10.4 Měření R, L, C K měření těchto veličin se používá převážně můstkových metod, založených na dosažení R rovnováhy můstku R x  R N . a Rb 10.5 Digitální měřící přístroje Tyto přístroje dnes představují novou měřící techniku. Digitální měřící přístroj sestává z příslušenství obdobnému jako u analogové techniky (předřadný odpor, bočník..).Snímaný signál ve formě napětí je převeden na analogový, který je dále zpracován v elektronickém

42

obvodě a zobrazen pomocí displeje.Digitální technika se vyznačuje velkým vstupním odporem, což je zvláště pozitivní ve slaboproudé technice. Pozor si musíme dát při měření nesinusových průběhů, kde měří nesprávné hodnoty.Tyto přístroje se dělají ve většině případů jako univerzální. K měření časových průběhů používáme osciloskopů, které zaznamenávají okamžitou hodnotu měřené veličiny a zobrazují ji na zvolené časové základně. 10.6 Měření neelektrických veličin Měření neelektrických veličin se provádí tak, že danou veličinu snímáme nějakým technickým zařízením a převádíme ji na elektrický signál (nejčastěji na napětí, odpor..), který je vhodný pro další zpracování. Jde zejména o měření :kroutícího momentu, síly, délkové dilatace, úhlu, rychlosti, teploty, tlaku, objemového nebo hmotnostního množství nasátého vzduchu, namáhání konstrukcí, měření emisí u spalovacích motorů apod. Příklad měření momentů a dynamických sil. Zde se využívá deformačních metod. Rozměrově definovaný průřez je polepen tenzometry (kovové, polovodičové,piezoelektrické).Deformace je indikována citlivými tenzometry a zpravidla můstkovou metodou vyhodnocena a převedena na měřenou veličinu.

11. Polovodiče Elektronická součástka, jejíž funkční částí je polovodič, se obecně nazývá polovodičová součástka. V současné době existuje nesmírné množství druhů a typů polovodičových součástek, od jednoduchých (nejjednodušší polovodičové elektronické součástky jsou termistor a fotorezistor) přes prostřední (dioda, tranzistor, tyristor) až k nejsložitějším – integrovaným obvodům. Polovodiče způsobily převrat v elektrotechnice asi v polovině minulého století. Lze je definovat jako látky, jejichž elektrická vodivost je výrazně závislá na teplotě.

Z hlediska fyzikálního (elektrického) mají polovodiče tyto charakteristické vlastnosti: ~ měrný elektrický odpor je větší než u vodičů a menší než u izolantů (10-4 – 108

.m)

~ více než u vodičů jejich elektrická vodivost závisí na teplotě, záření a příměsích ~ polovodiče mají záporný teplotní součinitel odporu , takže se stoupající teplotou se zvětšuje konduktivita - při teplotách blízkých 0 K se polovodiče stávají nevodiči (izolanty) ~ měrný elektrický odpor velmi závisí na čistotě; nepatrným množstvím příměsí se změní o několik řádů (zatímco u vodičů nanejvýš o jeden řád) ~ průchodem proudu se nemění chemické ani strukturální vlastnosti polovodičů (přenos náboje je zprostředkován, stejně jako v kovech, elektrony)

Z hlediska provozních vlastností mají polovodičové součástky tyto výhody: 43

~ mají malé rozměry a malou hmotnost; umožňují integraci elektrických obvodů (tj. umístění velkého množství obvodových prvků do jednoho pouzdra), a tím miniaturizaci zařízení ~ mají malou spotřebu energie, jejich provoz je hospodárný ~ jsou použitelné v širokém rozsahu frekvencí (v závislosti na principu a konstrukci), ~ lze vyrobit součástky pro přímou přeměnu energie (např. slunečního zaření, energie magnetického pole), ~ během provozu pracují spolehlivě, mají velkou životnost, ~ při výrobě polovodičových součástek nedochází k znečištění životního prostředí. A nevýhody: malá odolnost proti provoznímu přetížení, nepracují při radioaktivním ozáření.

11.1 Vlastní polovodiče Polovodič, který je dokonale čistý a má stejný počet elektronů i děr, se nazývá vlastní polovodič.Vázané valenční elektrony polovodičů nemohou v běžných podmínkách způsobit vznik elektrického proudu. Vlivem vnějšího působení(např. zahřátí, el. polem, pomocí světla nebo vyzářením jinou částicí) můžeme elektron uvolnit a způsobit vlastní vodivost polovodiče. Po vytržení elektronu (generace páru)  díra, do ní může zase „spadnout“ další elektron (rekombinace). Díry se mohou takto pohybovat a mluvíme o tzv. děrové vodivosti.

11.2 Nevlastní polovodiče Vlastnosti polovodiče do značné míry závisejí na čistotě, proto se snažíme vyrobit polovodič co nejčistší. Nevlastní polovodič je mírně znečištěn příměsemi. Typickými krystalickými polovodiči jsou germanium a křemík. Oba prvky vytvářejí kovalentní krystaly se čtyřmi vazebnými elektrony. 11.2.1 Polovodič N Jestliže přidáme k čtyřmocnému germániu jako příměs některý pětimocný prvek, např. antimon Sb , nahradí atomy antimonu některé atomy germánia v mřížce. Čtyři z pěti jeho valenčních elektronů nahradí vazbu valenčních elektronů atomu germánia, pátý valenční elektron zůstane jen slabě vázaný, neboť se nezúčastní kovalentní vazby. Působí-li na krystal stejnosměrné elektrické pole, pohybují se tyto elektrony ke kladnému pólu – způsobují elektronovou vodivost. Takto získaný polovodič se nazývá polovodič N, a protože je jeho

44

vodivost způsobena příměsí, jde o polovodič nevlastní. Atom pětimocného (antimon) prvku tu plní funkci dodavatele elektronů. Proto se tato příměs nazývá donor (z latinského dono = darovat), viz tento obr.:

11.2.2 Polovodič P

Jestliže k čtyřmocnému germániu přidáme příměs trojmocného prvku, např. india (In) nahradí atomy india některé atomy germánia v krystalové mřížce. Ve vazbě však bude chybět jeden elektron. Toto místo má charakter kladného náboje. Takové místo se nazývá díra. Po vložení krystalu do stejnosměrného elektrického pole přeskočí vazebný elektron nejbližšího atomu na místo díry, tím vznikne další díra na místě, kde se původně nacházel tento elektron, tento děj se stále opakuje, takže v celkovém pohledu se jeví jako pohyb díry směrem k zápornému pólu – díry tedy způsobují děrovou vodivost. Takový polovodič se nazývá polovodič P. Atom trojmocného prvku (indium) přijímá do své chybějící vazby elektron z vlastního polovodiče. Proto tato příměs dostala název akceptor (z latinského accepto = přijímat), viz následující obr.:

45

11.3 Proud v polovodičích Ty nosiče, jejichž koncentrace v polovodiči převažuje, se nazývají většinové neboli majoritní (z latinského maior = větší). Ty, které jsou v polovodiči v menšině, se označují názvem menšinové neboli minoritní (z latinského minor = menší). Výslednou vodivost polovodičů určují majoritní nosiče. V polovodiči N jsou tedy majoritní nosiče elektrony a minoritní díry, v polovodiči P je tomu naopak. Elektrické vlastnosti polovodičů jsou dány především nosiči elektrického náboje. Nosiče elektrického náboje charakterizuje jejich pohyblivost, efektivní hmotnost, difúzní konstanta, koncentrace a doba života. Při zapojení do elektrického obvodu se díry začnou pohybovat ve směru intenzity a volné elektrony proti směru, výsledný proud je součtem proudu elektronového a děrového

11.4 Generace a rekombinace Volné elektrony se chaoticky pohybují a pokud se setkají s dírou, ztratí část energie a jsou opět součástí vazby - tímto se udržuje rovnováha mezi generací párů elektron – díra a jejich zánikem, tj. rekombinací. 11.5 PN přechod -

součástka s dvěma vývody připojenými ke krystalu polovodiče s jediným přechodem PN se nazývá polovodičová dioda Pozn.: K výrobě přechodu PN je třeba rozdělit vzorek germánia nebo křemíku myšlenou rovinou. V jedné polorovině materiál dotujeme příměsemi typu N a ve druhé příměsemi typu P. Reálná technologie výroby přechodu PN je založena na faktu, že polovodič jednoho typu vodivosti lze ”předopovat” na opačný typ vodivosti. Skutečný PN přechod se tedy vyrábí tak, že se polovodič jednoho typu vodivosti obohatí v určitém objemu příměsemi opačného typu vodivosti; rozhraní tohoto objemu a původního objemu pak tvoří PN přechod.

-

vývod spojený s oblastí P je anoda a vývod spojený s N je katoda (obr.2.1)

-

nelineární součástka, neplatí Ohmův zákon, proud závisí nejen na velikosti napětí, ale i na jeho orientaci

-

pokud diodu zapojíme v propustném směru (potenciál anody je větší než potenciál katody) pak proud prochází normálně jako bez diody

-

pokud je zapojena v závěrném směru (potenciál katody je větší než potenciál anody) proud v obvodu neprochází

-

závislost vodivosti na polaritě napětí – diodový jev

46

-

děje vysvětlíme: elektrony s N a díry s P se setkají na přechodu PN a nastanou rekombinace, převládne působení nepohyblivých iontů příměsí (donorů a akceptorů), vznikne hradlová vrstva silná asi 1 m s elektrickým polem jehož intenzita směřuje s N do P, toto elektrické pole zabraňuje další pronikání elektronů a děr a nastane rovnovážný stav

-

zapojíme-li diodu propustném směru elektrické pole v diodě je působením zdroje orientováno proti hradlové vrstvě a potlačí ji – proud prochází

-

pokud je v závěrném směru, hradlová vrstva zesílí a prochází velice malý proud (menšinové nosiče)

-

voltampérová charakteristika diody – závislost proudu procházející diodou a připojeným napětím (obr. 2.2)

-

v propustném směru proud začíná rychle stoupat, po dosažení prahového napětí UF0, proud nesmí překročit určitou hodnotu I danou výrobcem

-

v závěrném směru prochází jen malý proud, napětí nesmí překročit průrazné napětí UBR (Zenerovo napětí), došlo by ke zničení diody, dioda, která pracuje i po překročení tohoto napětí je Zenerova dioda

Obr 11.1.: Přechod PN a schematická značka diody, Aanoda, K- katoda. V usměrňovači je na katodě kladný pól. Proud diodou prochází, je-li na anodě vyšší potenciál, než na katodě.

Obr. 11.2 V-A (voltampérová) charakteristika křemíkové a germániové diody. Všimněte si rozdílných měřítek v různých částech kvadrantu. Proč je křemíková dioda kvalitnější ?

47

11.5.1 Podrobnější vysvětlení PN přechodu

Pro jednoduchost zkoumejme nyní jednorozměrný model. V tomto modelu předpokládáme tzv. náhlý přechod (abrupt junction), tj. do určité souřadnice xo je materiál typu P a od téhož xo je materiál typu N. Na obrázku 11.3 je tato situace zachycena pro xo=0.

Obr. 11.3. NPpřechod Na vodorovné ose úseček je tedy vynesen jeden rozměr našeho modelu, na svislé ose pořadnic je vynesena energie. Předpokládejme, že jsme vytvořili PN přechod tak, že nalevo od počátku (pro záporná x) máme polovodič typu p a napravo od počátku polovodič typu n. Majoritními nosiči náboje v typu n jsou elektrony, v typu p díry. Vytvořením PN přechodu jsme vlastně vytvořili gradient koncentrace elektronů, který v bodě x=0 má vysokou kladnou hodnotu a gradient koncentrace děr, který v bodě x=0 má vysokou zápornou hodnotu. Ihned po vytvoření přechodu nastane tedy difuze děr z polovodiče typu p do polovodiče typu n a difuze elektronů z polovodiče typu n do polovodiče typu p. Jakmile se majoritní nosiče jednoho druhu dostanou do prostředí, kde jsou majoritními nosiči nosiče opačné polarity, prakticky okamžitě zrekombinují, tedy zaniknou z hlediska vedení proudu. Majoritní nosiče, které předifundovaly do polovodiče opačné vodivosti však odkryly náboj iontů příměsí, které jsou vázány v krystalové mřížce a nemohou se proto pohybovat. Např. díry, které předifundovaly z polovodiče typu p do polovodiče typu n, ”zanechaly” po sobě v polovodiči typu n nezkompenzovaný náboj záporných iontů třímocných příměsí a obdobně elektrony ”zanechaly” po sobě v polovodiči typu n nezkompenzovaný náboj kladných iontů pětimocných příměsí. Znamená to, že další a další difuze majoritních nosičů přes přechod se děje pod vlivem elektrického pole, neboť záporné ionty příměsí na straně polovodiče typu p působí svým přitažlivým elektrickým polem na difundující díry a obdobným efektem působí kladné ionty příměsí na straně polovodiče typu n na difundující elektrony. To má za následek, že po určité době se vytvoří 48

rovnovážný stav a ten je právě charakterizován nedeformovanou Fermiho hladinou přes přechod PN. Je třeba si uvědomit, že celkový náboj v polovodiči zůstává zachován, tak že polovodič zůstává navenek elektricky neutrální, zmíněný přesun náboje probíhá jen v bezprostřední blízkosti přechodu PN. Kdybychom tedy připojili voltmetr na konce našeho jednorozměrného krystalu s PN přechodem, nenaměříme voltmetrem žádné napětí. Zatím jsme diskutovali jen majoritní nosiče. Jejich pohybem vznikají vázané náboje iontů příměsí a tedy elektrické pole bránící další difusi majoritních nosičů. Jak je to však s minoritními nosiči? Ty mají opačný náboj než majoritní nosiče a vzniklé elektrické pole tedy urychluje transport minoritních nosičů přes PN přechod. Brzdí-li vytvořené elektrické pole např. pohyb děr ”zprava doleva”, pak jistě pohyb elektronů zprava doleva bude tímtéž polem podporován. V analogii s gravitačním polem díry zprava doleva musí ”do kopce”, zatímco elektrony zprava doleva to mají ”s kopce”. Elektrické pole v oblasti přechodu tedy ”odsává” minoritní nosiče přes přechod, čímž vzniká gradient koncentrace minoritních nosičů v blízkosti přechodu, který ”se stará” o to, aby minoritní nosiče z míst vzdálenějších přechodu k němu difundovaly. Vznikne opět rovnovážný stav, kdy proud děr jako majoritních nosičů z typu p do n je kompenzován proudem děr jako minoritních nosičů z n do p a obdobně pro elektrony. Vidíme, že minoritní nosiče zde plní velmi významnou úlohu kompenzace zbytku proudu majoritních nosičů (z chvostu distribuční funkce), které se přece jenom přes vytvořenou potenciálovou bariéru dostanou. Důležité je si uvědomit, že proud minoritních nosičů je nasycený, tj. elektrické pole v oblasti přechodu PN je natolik velké, že stačí odsát všechny minoritní nosiče, které se do blízkosti přechodu dostanou (podíváte-li se o několik odstavců výše, uvidíte, že tento proud je dán difusním koeficientem minoritních nosičů příslušného druhu a gradientem jejich koncentrace; tento gradient však nemůže být příliš veliký, neboť koncentrace minoritních nosičů je malá a proto ani celkový difuzní proud nebude velký). Z toho plyne, že tento nasycený proud minoritních nosičů nebude prakticky záviset na výšce potenciálové bariéry mezi stranou p a stranou n. Přiložíme-li nyní na PN přechod napětí v takové polaritě, že strana p je kladná a strana n záporná (tzv. propustný směr), budeme působit naším vtištěným elektrickým polem proti elektrickému poli, které se přes přechod vytvořilo a tedy budeme vytvořenou difuzní potenciálovou bariéru snižovat. Uvážíme-li tvar Maxwell- Boltzmannovské rozdělovací funkce budeme tím exponenciálně zvyšovat počet majoritních nosičů z obou stran, které se přes bariéru dostanou. Přitom, jak jsme si uvedli, proud minoritních nosičů nebude touto naší akcí významně ovlivněn. Přiložíme-li napětí v opačné polaritě (tzv. závěrný směr), budeme naopak potenciálovou bariéru, která brání průchodu majoritních nosičů přes přechod zvyšovat a počet majoritních nosičů přes přechod se bude (opět exponenciálně) snižovat. Opět při této akci neovlivníme významně množství minoritních nosičů, které se přes přechod dostávají. To znamená, že při dostatečně vysokém napětí této polarity zmenšíme proud majoritních nosičů prakticky na nulu a přes přechod poteče pouze proud minoritních nosičů. Snadno se dá odvodit tzv. diodová rovnice, I=Io(exp(eU/kT)-1), kde U je napětí na přechodu (kladné v propustném směru), Io tzv. zbytkový proud, k je Boltzmanova konstanta a T je teplota v K. Průběhy potenciálu, intenzity elektrického pole a koncentrace nábojů ukazuje obr. 2.4.

49

Obr.11.4 NP přechod. Na obrázku vlevo, druhý odspodu, je znázorněno rozložení náboje na NP přechodu (Np je koncentrace náboje donoru, Na je koncentrace nábojů akceptoru, pod tímto obrázkem (v levém dolním rohu) je průběh intenzity elektrického pole a napětí na tomto přechodu. Při odvozování této rovnice je třeba předpokládat, že veškeré z vnějšku přiložené napětí se objeví na přechodu, jinak řečeno, že proudy v propustném směru budou tak malé, aby nezpůsobily ohmické úbytky při průchodu proudu polovodičem od kontaktu k přechodu. Zhruba se dá říci, že to je splněno pro proudy až do cca 1 mA a v tomto rozmezí proudů může tedy dioda sloužit jako prvek s exponenciální voltampérovou charakteristikou. Pro vyšší proudy pak ohmické úbytky převáží, uvedená diodová rovnice přestává platit a je nahrazena prostým Ohmovým zákonem, kde v roli odporu vystupuje odpor materiálu diody (představíme-li si odpor materiálu diody a odpor přechodu jako dva odpory v serii, pak při malých proudech bude odpor přechodu podstatně větší než materiálu a bude záviset na napětí,

50

při vyšších proudech se odpor materiálu podstatně nezmění a odpor přechodu klesne v podstatě na nulu). VA charakteristika reálné diody je na obr. 11.5.

Obr. 11.5 V-A charakteristika diody 11.6 Usměrňovače Elektronický přístroj, pokud není napájen výhradně z baterií, musí obsahovat usměrňovací zařízení, zkráceně usměrňovač. Usměrňovač přeměňuje síťové střídavé napětí na stejnosměrné. Druhů zapojení usměrňovačů je mnoho a typ zapojení je nutné volit vždy podle specifické spotřeby. 11.6.1 Jednocestný (jednopulsní) usměrňovač Schéma:

Průběhy (místo U1 má v grafu správně být U3)

Síťový transformátor lze vynechat není-li třeba síťové napětí transformovat. K usměrnění slouží dioda D, která dovoluje průnik proudu Iss do zátěže Rz jen tehdy, má-li na anodě vyšší napětí než na katodě. Dioda se při návrhu volí dle namáhání v závěrném směru, kterému je při činnosti vystavena. Úbytek napětí v propustném směru je pro Ge asi 0,5V a pro Si 0,7–1V.

51

11.6.2 Můstkový (Graetzův) usměrňovač

Schéma:

Průběhy napětí

Jde o druh zapojení dvoucestného usměrňovače, vyžaduje však již čtyři usměrňovací diody, které jsou ale v závěrném směru namáhány polovičním napětím. Je-li v bodě a kladná půlvlna střídavého U2, otevírá se dioda D1, protéká jí proud do bodu d a přes Rz do bodu c, přes D2 do bodu b a druhý konec vinutí transformátoru. Při záporné půlvlně, (kladná půlvlna na spodním konci vinutí trafa) jde proud přes bod b, diodu D3, bod d, zátěž Rz, dále přes bod c a diodu D4 do bodu a a na horní konec vinutí trafa. Na zátěži vniká odpovídající pulzní napětí. Diody se volí podle namáhání dle katalogových hodnot. Napěťové namáhání diod volíme Uss = Umax <= Ud.

11.6.3 Další usměrňovací a spínací součástky 11.6.3.1 Stabilizační (Zenerova) dioda Stabilizační dioda je dioda s velmi tenkým přechodem PN. Při malém napětí (cca 5V) se přechod ve zpětném směru elektricky prorazí. Dioda potom představuje zkrat. Tento průraz však není destruktivní, dioda se tedy průrazem nepoškodí. Ostrý zlom v závěrném směru je způsoben tím, že při zenerově napětí je v přechodu PN silné elektrostatické pole, které vytrhává ze svých vazeb elektrony, což vede k prudkému nárůstu zpětného proudu při téměř stálém napětí. Jedná se o tzv. Zenerův průraz, který není lavinovitý, takže se dioda nepoškodí. Prudký nárůst závěrného proudu diodou se využívá při stabilizaci napětí.

11.6.3.2 Tyristor - je polovodičová spínací součástka (také může fungovat jako řízený usměrňovač) se čtyřvrstvou strukturou (NPNP nebo PNPN). Tyristory mají tu vlastnost, že jsou v nevodivém stavu až do určitého okamžiku, kdy se skokem otvírají a plně vedou proud. Za určitých podmínek se opět zavírají.

52

A – anoda K – katoda G – gate (řídící elektroda)

Tyristor sepne připojením kladného napětí na elektrodu G. Po sepnutí tyristor „drží“ i když napětí řídící elektrodě G přerušíme.(viz. Obrázek  ) Přivedením kladného impulsu na G tranzistor T2 otevře. Jeho kolektorový proud budí bázi T1, který se tím otevře a tak zajistí trvalé nabuzení T2. Řídící elektroda G přestává mít vliv na děj v tyristoru. Tyristor je zapnutý a příslušná část VA-charakteristiky je podobná charakteristice diody v přímém směru. V sepnutém stavu tyristor setrvává, dokud propustný proud neklesne pod hodnotu tzv. vratného proudu IH (viz obr.) a to přerušením hlavního obvodu A – K, nebo komutací anodového napětí do zpětného směru. Potom nastane vypnutí tyristoru – přechod z propustného stavu do stavu blokovacího. Vše je patrné z VA-charakteristiky tyristoru, nakreslené na obr. vlevo. Podmínky zapnutí tyristoru - v okamžiku přivedení řídícího impulsu musí být tyristor v blokovacím stavu - řídící impuls IG musí mýt dostatečnou amplitudu - řídící proud IG musí mýt dostatečnou šířku, aby stačil tyristorem protéct proud IL(přídržný) - i bez přivedeného IG, překročením UBO (blokovacího napětí) Podmínky vypnutí tyristoru - propustný proud musí změnit směr a projít nulou do závěrného směru - na tyristoru, musí být po určitou dobu závěrné napětí

11.6.3.3 Speciální typy tyristorů vypínací tyristor – záporným proudem je vypnut zpětně propustný tyristor fototyristor - slouží ke spínání silových tyristorů světlem

53

11.6.3.4 Triak - Uspořádáním vodivostních vrstev v křemíkovém krystalu navazuje na tyristor. Má pětivrstvou strukturu, která tvoří symetrickou soustavu přechodů PN. Triak si můžeme představit jako dva antiparalelně zapojené tyristory. Triak může tedy sloužit jako řízený ventil střídavého proudu.

11.7 Tranzistory jsou snad nejdůležitější a nejvíce používané polovodičové součástky. Jedná se o polovodičové prvky se dvěma přechody PN. Bipolární: využívají oba druhy nosičů elektrického náboje tj. elektronů a děr. Unipolární: využívají buďto jen elektronů, nebo jen děr.

11.7.1 Bipolární tranzistory: - skládá se ze tří vrstev buď N-kolektor, P-báze, N-emitor pak je to tranzistor NPN nebo P-kolektor, N-báze, P-emitor pak je to tranzistor PNP - jejich princip je stejný, liší se především uspořádáním vodivostních oblastí a zapojením napájecího napětí: NPN na kolektoru vždy kladné napětí PNP na kolektoru vždy záporné napětí

V tranzistoru tak vznikají dva přechody PN a můžeme si ho představit jako spojení dvou polovodičových diod, z nichž jednu tvoří kolektor-báze a druhou emitor-báze.

54

Připojíme k tranzistoru ss napětí UKE - Tranzistor je zavřený - Emitorový přechod (mezi B a E) – propustný směr, ale kolektorový přechod (mezi B a K) – nepropustný směr  proud obvodem nemůže protékat!

Mezi bázi a emitor připojíme další ss napětí UBE: - Tranzistor je otevřený - Protože je emitorový přechod v propustném stavu, pak účinkem UBE začnou volné elektrony proudit z emitoru do báze. - Ve skutečnosti je báze velmi tenká (cca 0,01mm) a elektrony (cca 97%) „nezvládne zatáčku“ a setrvačností proniknou až ke kolektorovému přechodu.

Tranzistor jako zesilovač: -

je schopen reagovat na změny vstupního signálu tak že k němu přidá část energie ze zdroje a tím ho zesílí. K tomu aby mohl takto pracovat musí mít předem nastavený pracovní bod. Ten se nastaví pomocí odporu v bázi a kolektoru. - ke stejnosměrnému napětí báze se přičítá napětí přivedeného vstupního signálu, tím se mění kolektorový proud a na rezistoru RK vzniká výstupní signál, který je podstatně zesílen.

Základní zapojení tranzistoru:

Společný emitor

Společná báze

55

S. kolektor

Výstupní voltampérová kolektorová charakteristika: - znázorňuje závislost kolektorového proudu(IK), napětí kolektor-emitor(UKE) při konstantním proudu do báze(IB)

11.7.2 Výhody tranzistorů -

nepotřebují žhavení mají menší rozměry mají podstatně delší životnost mají velkou otřesuvzdornost

11.7.3 Nevýhody tranzistorů -

mají parametry závislé na teplotě jsou náchylné na přetížení mají zbytkový proud při jaderném ozáření ztrácejí funkčnost

11.8. Jiné polovodiče Hrotová dioda - na polovodič typu N je pružinou přitlačován wolframový nebo zlatý hrot. Po tzv. formátování kdy se přivede na hrot elektrický impuls se vytvoří v místě dotyku malá oblast typu P. - nevhodné pro velké proudy

56

Plošná dioda - za vysoké teploty se vtaví kapka india do křemíkové (germaniové) destičky a vytvoří tak přechod PN. Tento přechod není bodový, ale plošný. Používají se především jako usměrňovací. - vydrží i značně velké proudy

Svítivá dioda LED - při průchodu proudu emitují tyto diody světelné záření - při průchodu proudu polovodičovým přechodem se dopadem elektronů uvolňují ze základního materiálu fotony  slabé záření různé vlnové délky) Infra dioda - od běžných LED se liší základním materiálem a tím že vyzařuje infra záření (neviditelné okem)

Varikap - je speciální plošná křemíková dioda, která vykazuje závislost kapacity přechodu na přiloženém napětí v závěrném směru. - využití při elektronickém ladění rezonančních obvodů

Tunelová dioda Má záporný diferenciální odpor, používá se např. v oscilátorech.

57

Fotodioda - je to plošná dioda, která má okénko v pouzdru pro osvit PN světelným zářením. Účinkem světla a vlivem fotoelektrického jevu dojde v přechodu PN k uvolnění valenčních elektronů a zvětšení zbytkového proudu. Dioda buď mění svůj odpor nebo je sama zdrojem elektrického napětí. Dioda musí být zapojena v závěrném směru.

12. Elektromagnetická kompatibilita Zařízení a systémy (zejména elektrotechnické, ale i obecně technické a biologické) musí být odolné vůči působení jiných zařízení (tj. nesmí se stát obětí účinků rušení ztěžujícím provoz, snižujícím kvalitu) a nesmí přitom samy nepříznivě ovlivňovat jejich normální funkci (tj. nesmí být zdrojem rušení). Tyto souvislosti řeší samostatný vědní obor „Elektromagnetická kompatibilita“ (běžně užívanou zkratkou je EMC, česky „Elektromagnetická slučitelnost“). Elektronická zařízení nebo přístroje mohou obsahovat generátory netlumených a modulovaných kmitů pracující na různých kmitočtech, generátory obrazových a vysokofrekvenčních impulzů, řetězce výkonových zesilovačů vysokofrekvenčních, nízkofrekvenčních a impulzních. Všechny tyto díly pracují na poměrně vysokých výkonových úrovních řádů mW, tak i MW. Ve stejných či sousedících zařízeních mohou být citlivé přijímače vyladěné na stejné nebo odlišné kmitočty, citlivé zesilovače či mikroprocesorové obvody. Tyto části zpracovávají často extrémně nízké úrovně výkonu řádově až 10-14 W. Různé díly elektronického zařízení tak pracují na nejrůznějších úrovních výkonu; maximální poměr těchto výkonů může dosáhnout až 200 dB, tj. 1020. Pravděpodobnost vzájemného rušení je za těchto podmínek velká. Základní řetězec přenosu rušivého signálu od zdroje ke spotřebiči ukazuje Obr. 1.1 s vyjmenováním typických příkladů.

58

12.1 Příklady rušení (nedodržení předpisů elektromagnetické kompatibility)

Příklady rušení jsou např. šráfy na TV obrazovce způsobené neodrušenou vrtačkou, bručení a prskání při rozhlasovém příjmu způsobené neodrušenou pračkou či spalovacím motorem apod., vymazání dat na disketě nebo harddisku elektromagnetickým polem z blízkého mobilu, narušení kardiostimulátoru u člověka procházejícím detekčním zařízením na letišti hledajícím kovové předměty – zejména zbraně, Je znám zákaz používání radiostanic a radiolokátorů v místě lomů, kde se provádí odstřel, aby nedošlé k nežádoucímu odpálení nálože. Pozor je třeba dát na ovlivnění lékařských přístrojů v nemocnicích a zdravotnických zařízeních elektromagnetickým polem z mobilních telefonů, může ohrozit i život pacienta, apod., proto v těchto zařízeních mobily vypínáme. Stalo se, že diagnostická souprava na jednotce intenzivní péče nemocnice v Praze monitorovala dech, tep a teplotu připojených pacientů. Spínání okolních silových spotřebičů však vyvolávalo v kardioskopu přídavné pulzy, které byly vyhodnocovány jako nesynchronní tep srdce. Navíc vadný startér zářivkového svítidla poblíž jednotky, který spínal každou sekundu, vyvolával trvale hlášení překročení meze tepů a blokoval měření. Celá souprava vzhledem k její naprosté neodolnosti vůči rušení musela být vyměněna za jiný systém od jiného výrobce, splňující požadavky EMC. Nedávno došlo ke ztrátě rádiového spojení na lodích Labské plavby a v dolech na Ostravsku. V těchto případech docházelo k intenzivnímu rušení znemožňujícímu rádiové spojení na kmitočtech 1 až 2 MHz. Kromě toho v dolech toto rušení narušilo i funkci automatického havarijního vypínání důlního kombajnu. Zdrojem rušení v dolech byl tyristorový měnič v pohonu kombajnu, na lodích byl zdrojem rušení mikroprocesorový řídicí systém obsahující výkonové tranzistorové napáječe.

59

Je známým faktem, že při bouřkách jsou přepětím poškozovány telefonní ústředny a koncová zařízení, jako faxy, záznamníky a telefony. Důvodem je jejich nízká odolnost proti přepětí a nevhodné či chybějící přepěťové ochrany na vedení. Problematikou EMC biologických systémů se zabývají výzkumná lékařská pracoviště s cílem posoudit odolnost lidského organismu vůči elektromagnetickým vlivům, mechanismy jejich působení apod. U vysokofrekvenčních a mikrovlnných polí jsou relativně nejvíce objasněny tzv. tepelné účinky, tj. účinky, které se objeví jako výsledek ohřevu tkání vystavených vysokým úrovním polí. Účinky elektromagnetického pole na centrální nervový systém, srdečně cévní, krvetvorný a imunitní systémy se přisuzují tzv. netepelným účinkům, tj. déle trvajícím expozicím polí s relativně nízkou výkonovou úrovní. Ani tyto, ani genetické či karcinogenní účinky však zatím nebyly jednoznačně prokázány. Všechny tyto skutečnosti v obtížnosti posuzování EMC biologických systémů jsou příčinou toho, že v příslušných hygienických normách ve světě existují až řádově velké rozdíly, např. v přípustných dávkách elektromagnetického záření. V České republice se této problematiky týká Vyhláška ministerstva zdravotnictví č. 480/2000 Sb., která s účinností od 1. 1. 2001 stanovuje požadavky pro práci a pobyt osob v elektromagnetickém poli v kmitočtovém rozsahu 0 Hz až 300 GHz, příp. pro optické a laserové záření i do vyšších kmitočtů. Další typ rušení vzniká v napájecích sítích nízkého napětí při činnosti stykačů a jističů, případně mechanických relé. Při přechodovém jevu rozpojování obvodu obsahujícího indukčnost dochází v okamžiku rozpojení kontaktů k rychlé změně (přerušení) proudu di/dt a tím vzniku vysokého rušivého napětí u = - L - di / dt , které leží prakticky celé mezi oběma kontakty spínače. Mezi kontakty tak vznikne obloukový výboj a napětí na kontaktech klesne skokem k nule Značně silné rušicí účinky vykazují venkovní energetická vedení vysokého (vn) a velmi vysokého (vvn) napětí. Patří k těm zdrojům rušení, která se obtížně vyhledávají a ještě obtížněji odstraňují. Produkované rušivé spektrum sahá od několika kHz až k 1000 MHz, takže může negativně ovlivnit provoz prakticky jakékoli radiokomunikační služby. Na závěr tohoto přehledu perličku. Jedna slečna v Praze používala nehomologovaný bezdrátový telefon z USA, který pracoval na kmitočtu našeho 1. TV kanálu a nejenom že nezákonně rušila příjem TV sousedům v okolí 300m, ale všichni navíc a zdarma slyšeli v TV její telefonické hovory o peprných pikantnostech z jejího soukromého života nemluvě…

12.2 Typy rušení a vymezení pojmů Často užívanou klasifikací umělých rušivých signálů je jejich rozdělení do tří základních skupin:  Šum (angl. "noise" N) jsou rušivé signály ovlivňující především tvar užitečného signálu, např. napájecího napětí. Název "šum" používaný v oblasti EMC ve smyslu rušivého signálu má jiný význam než obvykle užívaný pojem šumu, jakožto náhodného signálu provázejícího činnost elektrických a elektronických součástek a obvodů (např. tepelný či výstřelový šum apod.). Šum jakožto rušivý signál má obvykle periodický charakter.

60

 Impulzy (angl. "spikes" S) jsou rušivé signály impulzního charakteru s velkým poměrem velikosti impulzů k době jejich trvání. Na užitečný signál se tyto impulzy superponují jako kladné či záporné "špičky". Typickou příčinou jejich vzniku jsou zejména spínací pochody při kontaktním spínání elektrických či energetických obvodů a soustav.  Přechodné jevy (angl. "transients" T) jsou náhodné jednorázové rušivé signály s dobou trvání od několika ms do několika sekund. Typickými příčinami jejich vzniku např. v energetické síti jsou náhlé změny jejího zatížení při zapínání a vypínání spotřebičů velkých výkonů.

Elektromagnetická interference (EMI) (angl. Electromagnetic Interference) neboli elektromagnetické rušení je proces, při kterém se signál generovaný zdrojem rušení přenáší prostřednictvím elektromagnetické vazby do rušených systémů. Elektromagnetická susceptibilita či imunita (EMS) (angl. Electromagnetic Susceptibility či Electromagnetic Immunity) neboli elektromagnetická citlivost (na rušení) či odolnost (vůči rušení) vyjadřuje schopnost zařízení a systému pracovat bez poruch nebo s přesně definovaným přípustným vlivem v prostředí, v němž se vyskytuje elektromagnetické rušení. EMS se tedy zabývá především technickými opatřeními, které zvyšují u objektu (přijímače rušení) jeho elektromagnetickou imunitu, tedy jeho odolnost proti vlivu rušivých signálů. EMS se tak týká spíše odstraňování důsledků rušení, bez odstraňování jejich příčin. Na všechny dosud popsané oblasti úzce navazuje oblast tvorby norem a předpisů EMC. Ve všech průmyslových zemích světa existují normy EMC, kterým musí vyhovovat každé zařízení či přístroj. Příslušná mezinárodní normalizace a standardizace v oblasti EMC má i své dalekosáhlé ekonomické důsledky.

12.3 Potlačování/odstraňování rušení Jak plyne ze základního řetězce EMC na obr. 1.1, lze rušení omezovat ve všech třech oblastech tohoto řetězce: přímo u zdroje (vysílače) rušení, v objektu (přijímači) rušení či na přenosové trase. Rušení je nejvýhodnější potlačovat u jeho zdroje, neboť tím zaručíme, že nebude rušen pouze vyšetřovaný přijímač, ale ani další objekty, které by jinak mohly být rušeny v budoucnu. Technickým prostředkům, které používáme k potlačování či omezování elektromagnetického rušení v kterékoli části řetězce EMC, říkáme odrušovací prostředky. Tyto prostředky používáme jak k potlačení rušivých signálů u jejich zdroje, tak i pro zvýšení odolnosti "přijímacího" zařízení proti němu. Mezi odrušovací prostředky patří: - odrušovací tlumivky a jednoprvkové tlumivkové filtry, 61

- odrušovací kondenzátory a kondenzátorové filtry, - odrušovací filtry LC, - přepěťové ochranné prvky (bleskojistky, plynové výbojky, varistory, omezovací diody), - elektromagnetické, elektrické a magnetické stínění. Pro omezení rušení po vedeních, příp. zvyšování odolnosti vůči tomuto rušení se používají odrušovací tlumivky, kondenzátory, kmitočtové filtry LC a omezovače přepětí. Omezení rušení vyzařováním, příp. zvýšení odolnosti vůči rušivým polím nelze obvykle dosáhnout bez správně provedeného stínění. Nesprávná volba odrušovacího prostředku nejen že nepřinese očekávaný efekt, ale může být dokonce příčinou zhoršení parametrů odrušovaného zařízení nebo ohrožení bezpečnosti obsluhy. Dosavadní praxe EMC elektrických přístrojů a zařízení ukazuje, že na parazitních přenosech a rušení dvou (i vzájemně vzdálených) přístrojů má často podíl rozvodná energetická síť. K dokonalejší ochraně před působením vysokofrekvenčního rušení šířícího se po vedení se používají odrušovací filtry, nejčastěji filtry LC typu dolní propust, které bez potlačení propouštějí signály (proudy) s kmitočtem nižším než je určitý mezní kmitočet fm a naopak tlumí složky, jejichž kmitočet je vyšší než tento mezní kmitočet.

Jako přepěťové ochranné prvky používáme součástky, příp. jejich kombinace, sloužící k potlačení či omezení napěťového přepětí vznikajícího na přenosových vedeních v důsledku některých rušivých elektromagnetických dějů, např. blesku, elektrostatických výbojů, spínacích pochodů apod. Historicky nejstarší přepěťovou ochrannou součástkou je vzduchové jiskřiště, jež je určeno především k ochraně proti vyšším napětím, řádově od 1 kV do několika MV.

62

Rušivé signály vyzařované jednotlivými elektronickými součástkami, obvody a funkčními bloky jsou často měřeny speciálními měřicími sondami elektrického či magnetického pole. Tyto malé ruční antény (výstižně označované jako "očichávací") jsou užívány zejména při vývoji a diagnostice elektronických zařízení, kdy je důležité sledovat nežádoucí vyzařování jednotlivých součástek a bloků přímo uvnitř vyvíjeného zařízení a dislokovat co nejpřesněji i zdroj rušivého signálu. Sporné případy, kontrolu apod. řeší v ČR Český telekomunikační úřad, odbor státní kontroly elektronických komunikací a dohlíží především na dodržování Zákona o elektronických komunikacích č. 127/2005 Sb., (viz http://www.micr.cz/scripts/detail.php?id=205). Tento nový zákon do českého právního řádu transponuje nový regulační rámec Evropské unie 2003. Mění pravidla regulaci trhu klasických telekomunikačních služeb, ale vztahuje se i na nové služby elektronických komunikací, jako například služby kabelových televizí nebo digitálního vysílání.

63