Střídavý proud

• stejnosměrný proud – proud prochází stále stejným směrem (zdroj baterie)

Proměnné napětí s harmonickým průběhem označujeme názvem střídavý napětí a elektrickým obvodem prochází střídavý proud, který má rovněž harmonický průběh.

• zdrojem střídavého napětí je cívka otáčející se v magnetickém poli, napětí se harmonicky mění a jeho okamžitá hodnota je dána: , kde je amplituda napětí a je úhlová rychlost otáčející se cívky
• střídavé napětí odpovídá harmonickému elektrickému kmitání, v energetice

Jednoduché obvody střídavého proudu

• objevuje se vždy je ze tří prvků (rezistor R, cívka L a kondenzátor C)
• složené obvody střídavého proudu – vyskytuje se více ze tří základních prvků

Obvod střídavého proudu s odporem

• nejjednodušší střídavý obvod
• odporu R – rezistance, okamžitá výchylka proudu: ; ;
• odpor rezistoru je v obvodu střídavého proudu stejný jako u stejnosměrné­ho proudu
• v tomto obvodu mají napětí a proud stejnou fází – fázový rozdíl je nulový

Obvod střídavého proudu s indukčností

• obvod s cívkou, která má indukčnost, střídavý proud procházející cívkou vytváří proměnné magnetické pole, v cívce se indukuje napětí s opačnou polaritou než je napětí zdroje, proud nabývá nejvyšší hodnoty později – proud se za napětím zpožďuje – záporný fázový rozdíl
• pro okamžitou výchylku platí:
• induktance , je přímo úměrná indukčnosti, platí: , jednotka je ohm –
• cívka se chová jako odpor, nedochází však ke přeměně elektrické energie na teplo jako u rezistoru, jen zaniká a vzniká magnetické pole
• v praxi cívky – tlumivky, velké induktance
• ve skutečnosti má cívka i odpor, ale ten je tak malý vůči indukčnosti, že ho můžeme zanedbat, pokud ho zanedbat nemůžeme obvod s cívkou má vlastnosti složeného obvodu s parametry RL

Obvod střídavého proudu s kapacitou

• kondenzátor se periodicky nabijí a vybijí
• v době, kdy je kondenzátor nenabitý (napětí mezi deskami je nulové) je proud v obvodu maximální, naopak když je nabit na napětí Um je proud v obvodu nulový
• proud předbíhá napětí o , okamžitou hodnotu proudu dostaneme
• poměr amplitudy napětí a proudu je kapacitance – nepřímo úměrná frekvenci střídavého proudu , , kapacitance je nepřímo úměrná kapacitě kondenzátoru

Složený obvod střídavého proudu

Obvod RLC v sérii

• prochází stejný proud, liší se napětí
• UR má stejnou fázi jako i, UC je je za proudem zpožděno a UL proud předbíhá
• výsledná amplituda napětí:
• celý obvod jako celek charakterizuje impedance Z: a jednotka je ohm
• fázový rozdíl napětí a proudu najdeme ve fázovém diagramu , část obvod, kde nedochází k přeměně elektrické energie na teplo, ale jen v magnetické pole, charakterizuje reaktance X: ;
• zvláštní případ nastane pokud se induktance rovná kapacitanci a fázový posun je nulový – obvod má vlastnosti rezistance – tento případ označujeme jako rezonanci střídavého obvodu a frekvence proudu je rezonanční frekvence f0

Výkon střídavého proudu v obvodu s odporem

• okamžitý výkon proudu
• amplituda výkonu se mění s dvojnásobnou frekvencí než proud
• střední hodnotu výkonu dostaneme , kde W je práce obvodu, která se rovná energii, která se za čas t přemění na teplo, v grafu je práce plocha mezi křivkou výkonu a osou x (osa času) – lze vypočítat integrálem nebo
• můžeme říci, že střední výkon střídavého proudu se shoduje s výkonem stejnosměrného proudu, kde pro I platí: ; tyto hodnoty nazýváme efektivní hodnoty proudu a napětí, pokud má obvod tyto efektivní hodnoty pak je výkon proudu
• takže pokud voltmetr zapojený do elektrické sítě ukazuje 220V, pak amplituda napětí je

Výkon střídavého proudu v obvodu s impedancí

• výkon je ovlivněn fázovým posunem, čím větší je fázový posun tím menší je užitečný neboli činný výkon střídavého proudu
• je účiník, určuje účinnost přenosu energie ze zdroje střídavého proudu ke spotřebiči, nabývá hodnot 0 až do 1
• činný výkon odpovídá jen té části obvodu, která přeměňuje elektrickou energie na teplo nebo užitečnou práce ® a ne té části, která ji využívá ke tvorbě a zániku magnetického (L) a elektrického © pole
• je snaha, aby byl účiník co největší – je zapotřebí menší proud na stejný výkon – menší ztráty energie

Střídavý proud v energetice

Generátor střídavého proudu

• skládá se z elektromagnetu, který koná otáčivý pohyb – rotor a z cívek, které tvoří stator
• v elektrárnách se nejčastěji používá trojfázový alternátor

o je složen ze tří cívek tvořící stator, jejich osy svírají úhel 120o

o uprostřed cívek je otáčející se magnet, který indukuje v cívkách napětí, napětí jsou posunuta o jednu třetinu periody a platí:

• alternátory v elektrárnách jsou mohutné objekty připevněné k plošině (odolávají velkému momentu síly), jádro statoru je tvořeno z tenkých plechů a v jejich drážkách je uloženo vinutí cívek , konce cívek jsou vyvedeny na svorkovnici alternátoru
• rotor je silný elektromagnet uložený na ocelové ose, do rotoru je zavedeno vinutí, které vede stejnosměrné napětí (dynamo) – budič
• frekvence otáček je tak 3000 otáček za minutu což odpovídá frekvenci 50 Hz střídavého proudu
• pokud je alternátor spojen s hnací turbínou celé soustrojí se nazývá – turboalternátor

Trojfázová soustava střídavého napětí

• využívá toho, že součet okamžitých indukovaných napětí u cívek je nulový
• v energetice se využívají dva způsoby zapojení trojfázové soustavy střídavého proudu
• spojení do hvězdy

o jeden konec cívek je připojen do společného bodu – uzlu a druhém konci cívek jsou fázové vodiče

o k uzlu je připojen nulovací vodič, mezi nulovacím a fázovým vodičem je fázové napětí a mezi libovolnými fázovými vodiči je sdružené napětí, jehož efektivní hodnota je krát vyšší než efektivní hodnota fázového napětí

o v obvodu spotřebitelské sítě je fázové napětí 230V a sdružené 395V, běžné síťové zásuvce je tedy fázové napětí (jedna zdířka je spojena s nulovacím vodičem)

o spotřebitelská síť je provedena tak, že fázové vodiče jsou rovnoměrně zatíženy – nulovacím vodičem prochází nulový proud, v praxi není nulový, ale vždy je menší než proud ve fázových vodičích

• do trojúhelníku

o spotřebiče jsou připojeny ke sdruženému napětí, výkon spotřebiče je větší

Elektromotor na trojfázový proud

• převádí elektrickou energii na mechanickou, zapojení do hvězdy
• založeno na pohybu vodičů s proudem v magnetickém poli – vzniká točivé magnetické pole
• trojfázový elektromotor má dvě části: stator – tvořen obdobně jako u alternátoru a rotor (kotva) je válec z ocelových plechů mezi nimiž je vinutí (klecové vinutí), vinutí má malý odpor a motor se nazývá motor s vinutím nakrátko
• příčina otáčení – magnetická síla
• rotor nemá žádné přívodní vodiče
• rotor se neroztočí s frekvencí točivého magnetického pole (zanikl by indukovaný proud a tím i celý pohyb)
• rotor se otáčí s menší frekvencí – asynchronně, elektromotory tohoto typu označujeme jako trojfázové asynchronní elektromotory, vzniká skluz , kde fp je frekvence otáčení točivého pole a fr je frekvence rotoru

Transformátor

• zvyšování a snižování napětí v rozvodné síti
• jednofázové a trojfázové transformátory
• jednofázový transformátor je tvořen dvěmi cívkami s různým počtem závitů
• do primární cívky C1 je připojeno střídavé napětí – vzniká magnetické pole a indukuje se napětí
• cívky jsou spojeny za sebou (sériově) napětí se sčítá, napětí na primární cívce je: a na sekundární cívce : odpor primární cívky je zanedbatelný , z poměru efektivních hodnot indukovaného napětí dojdeme k rovnici transformátoru: , kde k je transformační poměr, je-li pak dochází k transformaci nahoru a naopak transformaci dolů
• v praxi dochází ke ztrátám (zahřívání cívek a vodičů), napětí na sekundární cívce je vždy menší než podle transformačního poměru, účinnost transformátorů se pohybuje mezi 90% (malé transformátory) až 98% (velké transformátory)
• proudy se transformují v obráceném poměru napětí (nebo závitů): ;
• použití: rádio, televize
• trojfázové transformátory – použití v energetice, má tři magnetické větve, cívky jsou spojeny do hvězdy nebo do trojúhelníku

Přenos elektrické energie

• přenos se uskutečňuje transformováním napětí na velké vzdálenosti až (111kV, 220kV až 400kV), na menší vzdálenosti (22kV)
• napětí je vysoké, aby se omezily ztráty elektrické energie, výkon se snižuje o , de I je proud ve vodičích a R je jejich odpor
• elektrárny

o tepelná elektrárny

• proudící pára roztáčí turbíny
• spalování uhlí, oleje a plynu – ohřívá se voda, ta se mění v páru o vysokém tlaku (110MPa) a teplotě (500oC)
• energie páry se přeměňuje na energii turbín

o jaderná elektrárna

• stejný systém jako u tepelné, jenom voda se ohřívá energií získanou z jaderné reakce

o vodní elektrárna

• vodní tok roztáčí alternátor, vzniká napětí a proud

Fyzikální základy elektroniky

Usměrňovač

• polovodičová dioda, která se po připojení do obvodu se střídavým proudem se chová jako elektrický ventil, propouští proud jen v kladných periodách (propustný směr) – pracuje jako jednocestný usměrňovač – na pracovním rezistoru je stejnosměrné pulsující napětí a obvodem prochází stejnosměrný proud (tepavý proud)
• pulsaci zabraňuje kondenzátor připojený paralelně k výstupu usměrňovače, při kladných periodách se nabijí a při záporných vybijí, tím se pulsování zčásti vyhladí
• vyhlazení je účinnější s vyšší kapacitou kondenzátoru a odporem rezistoru, pokud se odpor blíží nekonečnu je hodnota stejnosměrného proudu rovna amplitudě střídavého proudu
• v praxi se používá usměrňovač se čtyřmi diodami v Graetzově zapojení, aby se využili i záporné periody střídavého proudu

Tranzistor

• polovodičová součástka tvořená dvěma přechody PN, střední část je báze B, přechody PN jí oddělují od oblastí s opačným typem vodivosti kolektor C a emitor E
• podle druhu vodivosti rozdělujeme tranzistory na NPN a PNP
• k bázi, emitoru a kolektoru jsou připojeny kovové elektrody
• připojíme-li k emitoru a kolektoru napětí, pak nikdy nebude procházet proud (vždy je jeden přechod v závěrném směru)
• pokud ale ke kolektoru připojíme kladný pól a k emitoru záporný, pak kolektorový přechod je zapojen v závěrném směru a emitorový v propustném
• pokud připojíme napětí k bázi začne emitorovým přechodem procházet proud IB nebo-li IE, v tom okamžiku začne procházet proud i v kolektorovém obvodu IK a to tak, že IK je mnohokrát větší než IE – tranzistorový jev (základní funkce tranzistoru) – malé napětí v bázi vzbuzuje v obvodu báze proud, který je příčinnou vzniku většího proudu v obvodu kolektorovém
• objevitelé: Bardeen, Brattain, Shockeley (1965 – Nobelova cena za fyziku)
• vysvětlení tranzistorového jevu: proud v bázi IB je tvořen elektrony (minoritní nosiče náboje), které sem pronikají z emitoru, v bázi je nedostatek děr (malý objem) a tak elektrony jsou přitahovány kladným potenciálem kolektoru a procházejí do něj, zde tvoří mnohem silnější proud IK – zesilují proud
• závislost kolektorového proudu na proudu v bázi je přibližně lineární (přechodová charakteristika tranzistoru)
• základní parametr tranzistoru je proudový zesilovací činitel při:
• užití: součásti integrovaných obvodů, i jednotlivé (diskrétní) součástky

Tranzistorový zesilovač

• tranzistor zapojen se společným emitorem (zapojení SE)
• u vstupu je napětí u1 zesilováno na hodnotu u2 v kolektorovém obvodu (výstup
• vstup a výstup oddělují kondenzátory, které pro střídavý zesilovaný proud mají malou impedanci, avšak pro stejnosměrný proud je obvod kondenzátorem přerušen
• tranzistor má odpor a kolektor je připojen k pracovnímu rezistoru (tvoří obvodové prvky spojené do série), při zesilování střídavého napětí se proud báze periodicky mění (jestliže se zvětší odpor tranzistoru klesne), U na rezistoru se zvětší a tím i proud
• jestliže se vstupní napětí zvyšuje výstupní se zmenšuje
• vstupní a výstupní napětí mají opačnou fázi

Integrovaný obvod

• na křemíkové destičce (malého rozměru) tzv. čipu je vytvořen celý funkční elektronický systém tranzistorů, odporů, diod a dalších

1. integrované obvody analogové techniky

• zpracování spojitých signálů (zvukový signál, signál nesoucí informaci)
• příklad: operační zesilovač (zesilování proudu, ale i matematické operace (sčítání, integrování) převod analogových signálů na číslicové

2. integrované obvody na zpracování číslicového signálu

• takový signál je tvořen sledem impulsů napětí, které se mění skokem mezi dvěmi hodnotami, nižší hodnota představuje logickou nulu a vyšší logickou jedničku
• logický člen (integrovaný obvod) – část integrovaného obvodu (složen z několika logických členů, kde každý vykonává logické operace)
• nejdokonalejší integrovaný obvod je mikroprocesor (70. léta) – počítač