Střídavé napětí a proud
- Střídavý proud vzniká v obvodu, který připojíme ke zdroji střídavého napětí.
- Střídavý proud mění v elektrickém obvodu v určitých časových intervalech svůj směr v rytmu změn polarity napájecího zdroje.
- Střídavé napětí je elektrické napětí, které mění svou velikost
- U periodických střídavých proudů se časový průběh opakuje v pravidelných intervalech – periodách
- Délka periody – doba kmitu [ T ]= 1 s je dána kmitočtem f [Hz]
- Nejvýznamnější z periodických střídavých proudů je proud harmonický (sinusový):
- Harmonický proud nemusí vždy začínat nulou, ale počátek může být posunut o úhel α (počáteční fázový úhel):
Obvody střídavého proudu
- Elektrický odpor R, indukčnost L a kapacita C jsou parametry obvodů střídavého proudu
- Má-li obvod jen jeden parametr, nazýváme jej jednoduchý obvod střídavého proudu
- V obvodu může být i více prvků s různými parametry, které tvoří složený obvod střídavého proudu
Obvod s odporem
- Rezistorem připojeným ke zdroji napětí u protéká střídavý proud i:
- Pro střídavý proud s odporem platí Ohmův zákon stejně jako pro obvod se stejnosměrným proudem. Amplituda střídavého proudu nezávisí na jeho frekvenci.
- Odpor rezistoru je zde stejný jako v obvodu stejnosměrného proudu, nazývá se rezistance
Obvod s cívkou - s indukčností
- Procházející sinusový proud i vybudí střídavý magnetický tok Φ, který je ve fázi s proudem i:
- Střídavý proud v cívce vytváří měnící se magnetické pole ⇒ indukuje se v ní napětí, které má podle Lenzova zákona opačnou polaritu, než zdroj napětí ⇒ proud nabývá největší hodnoty později než napětí
- Proud se za napětím zpožďuje a vzniká záporný fázový rozdíl
- Bude-li proud ideální cívkou dán rovnicí:
- pak napětí na ideální cívce bude
- Induktance ideální cívky
- Induktance je přímo úměrná indukčnosti cívky a frekvenci střídavého proudu
- V technické praxi se k dosažení velkých induktancí používají cívky zvané tlumivky
Obvod s kondenzátorem - s kapacitou
- Kondenzátor střídavého proudu se v obvodu periodicky nabíjí a opět vybíjí. Proud je největší v okamžiku, když kondenzátor není nabitý a jeho napětí je nulové.
- Kapacitní rezistance
- Proud v obvodu s ideálním kondenzátorem je rovněž závislý na frekvenci podle vztahu
- Čím vyšší frekvence a čím větší kapacita kondenzátoru, tím větší je amplituda nabíjecího a vybíjecího proudu
Obvod s RLC v sérii
- Jeho prvky mají zpravidla několik parametrů: odpor, indukčnost i kapacitu.
- Typickým příkladem je sériové spojení prvků s rezistancí, kapacitancí a induktancí. Takový obvod označujeme jako obvod s RLC v sérii.
- Prvky obvodu prochází stejný proud, avšak napětí na jednotlivých prvcích se liší velikostí i vzájemnou fází (napětí UR má stejnou fázi jako proud, napětí UL ho předbíhá a napětí UC se za ním zpožďuje).
- Vzhledem k fázovým rozdílům nemůžeme získat hodnotu výsledného napětí u na celém obvodu
- Z… impedance [Ω]
- charakterizuje obvod jako celek
- Kromě impedance se zavádí ještě reaktance
- Reaktance charakterizuje tu část obvodu, v níž se elektromagnetická energie nemění v teplo, ale jen v energii el. nebo mag. pole.
Sériové zapojení RLC
- Absolutní hodnotu celkového napětí vypočteme z Pythagorovy věty a dostaneme vztah
- Pro impedanci platí vztah
- Mohou nastat tři případy
1. XL > XC – indukční charakter obvodu
2. XL < XC – kapacitní charakter obvodu
3. XL = XC – sériová rezonance
= rezonanční frekvence
Rezonanční frekvence
- Při této frekvenci teče obvodem maximální proud, musí tedy být minimální impedance obvodu:
- Aby byla impedance minimální, musí být minimální člen pod odmocninou. Ten se skládá ze součtu dvou nezáporných členů, přičemž R, L a C jsou konstanty. První člen na frekvenci nezávisí. Impedance bude tedy minimální v případě, když bude druhý člen nulový. Z toho odvodíme, že pro rezonanční frekvenci platí:
Výkon střídavého proudu
- Kvůli neustále se měnící okamžité hodnotě střídavého proudu a napětí se mění také elektrický výkon.
- Průměrný elektrický výkon střídavého proudu lze vypočítat:
- kde U a I jsou efektivní hodnoty střídavého proudu a napětí, φ je fázový posun mezi proudem a napětím, člen cosφ se nazývá účiník
- Efektivní hodnoty* střídavého proudu a napětí jsou hodnoty takového stejnosměrného proudu a napětí, jehož výkon by byl stejný jako je výkon daného střídavého proudu a napětí
- Velikost efektivní hodnoty střídavého proudu a napětí s harmonickým průběhem:
- kde Im je amplituda střídavého proudu a Um je amplituda střídavého napětí
Dioda jako usměrňovač
- Dioda je elektronická součástka se dvěma elektrodami
- Obvykle slouží k usměrňování proudu, ale existují i jinak specializované diody
- Podle konstrukčního principu a účelu to může být:
- elektronka – opět se začaly vyrábět (např. pro armádu) Jejich vlastnosti v audio technice nebyly dosud překonány ani MOS tranzistory.
- dvojitá dioda – elektronka pro dvoucestné usměrnění
- polovodičová dioda
Polovodičová dioda
- mnohostranně využívaná součástka
- Hrotová dioda – historicky nejstarší typ polovodičových diod, základ krystalky
- Plošná dioda
- Fotodioda – dopadající světelné nebo jiné záření způsobí v oblasti přechodu P-N vytvoření dvojice elektron – kladná díra, a tím podle způsobu zapojení dojde ke zvýšení vodivosti nebo ke zvýšení napětí na přechodu P-N
- LED – svítivá dioda, rekombinace v oblasti přechodu P-N způsobují vydávání světelného záření
- Zenerova dioda – je schopna propouštět proud oběma směry
- Tunelová dioda, Inverzní dioda
- Schottkyho dioda – Na rozdíl od většiny zde zmíněných diod, nevyužívá P-N přechodu, ale přechodu kov-polovodič
- Kapacitní dioda (varikap, varaktor)
Usměrňovač
- Jestlilže připojíme diodu do obvodu střídavého proudu, pracuje jako elektrický ventil
- Prochází jí proud jen v kladných půlperiodách vstupního střídavého napětí, kdežto v záporných půlperiodách napětí obvodem proud neprochází
- Výstupní napětí na rezistoru RZ je stejnosměrné a pulzující (tepavé-obr. b)
- Nastalo usměrnění střídavého proudu, přičemž se využívá jen jedna polovina periody střídavého napětí
Dioda pracuje jako jednocestný usměrňovač a obvodem prochází stejnosměrný proud- Pro praktické užití usměrňovače je důležité omezit pulzaci výstupního napětí
- Toho se dosahuje pomocí kondenzátoru o kapacitě C připojeného paralelně k výstupu usměrňovače (na obr. čárkovaně)
- V kladných půlperiodách se kondenzátor nabíjí a v záporných půlperiodách se vybíjí přes rezistor s odporem RZ
- Kondenzátorem se pulzace usměrněného napětí zčásti vyhladí (obr. c)
- Vyhlazení pulzace je tím účinnější, čím větší je kapacita C kondenzátoru a odpor RZ rezistoru
- Když RZ ⟶∞, má usměrněné napětí hodnotu odpovídající amplitudě střídavého napětí
- Dále se využívá usměrňovač se 4 diodami k lepšímu usměrnění
