03 (prx) - r l c - outech-havirov.cz · termistor fotorezistor varistor tenzometr. rezistory 12...

PRAKTICKÉ ČINNOSTI

Rezistory, kondenzátory, cívky

Ing. Pavel Chmiel, Ph.D.

Střední škola, Havířov-Šumbark, Sýkorova 1/613,příspěvková organizace

OBSAH VÝUKOVÉHO MODULU

1. Rezistory

- využití, druhy a konstrukce, schématické značky

- katalogové údaje

2. Kondenzátory

- využití, druhy a konstrukce, schématické značky

- katalogové údaje

3. Cívky

- využití, druhy a konstrukce, schématické značky

- katalogové údaje2

REZISTORY

3

Funkce součástky:

1. snížení el. proudu tekoucího obvodem (resp. obvodovou větví),

2. snížení elektrického napětí (předřadný rezistor, dělič napětí),

3. přeměna elektrické energie na tepelnou (topné rezistory).

REZISTORY

4

Příklad použití rezistorů:

Děliče proudu – snížení (resp. regulace) el. proudu:

Zapojení reostatu� = �� + ��

REZISTORY

5

Příklad použití rezistorů:

Děliče napětí – snížení (resp. regulace) vstupního el. napětí:

Zapojení potenciometru

REZISTORY

6

Příklad použití rezistorů:

� =��� − ����

����

R

Uzdroj

Využití: předřadný rezistor pro nastavení ULED a ILED

REZISTORY

7

Příklad použití rezistorů:

Topné rezistory – přeměna energie el. proudu na teplo:

REZISTORY

8

Schématické značky rezistorů:

Neproměnný rezistor- obecná značka (IEC)

Neproměnný rezistor- obecná značka (ANSI)

Proměnný rezistor (IEC)- potenciometr, reostat

Proměnný rezistor (ANSI)- potenciometr, reostat

Nastavitelný rezistor (Trimr) Topný rezistor

Nelineární proměnný rezistor- např. termistor, varistor

Fotorezistor

REZISTORY

9

Rozdělení rezistorů:

1. Neproměnné (pevné) rezistory:

Mají od výroby pevně danou jmenovitou hodnotu elektrického

odporu, kterou nelze změnit. Obvykle se jedná o dvojpólovou

součástku (jednobran).

REZISTORY

10

Rozdělení rezistorů:

2. Proměnné (nastavitelné) rezistory:

Jejich hodnotu lze plynule měnit až do max. jmenovité hodnoty

el. odporu uvedenou na pouzdře rezistoru. Třípólová součástka.

Proměnný rezistor(Potenciometr)

Proměnný rezistors pohyblivým jezdcem

Nastavitelný rezistor(Trimr)

REZISTORY

11

Rozdělení rezistorů:

3. Nelineární rezistory:

Jejich hodnota el. odporu se nelineárně mění v závislosti na

teplotě, světle, napětí, tlaku a mag. poli. Dvojpólové součástky.

Termistor Fotorezistor Varistor Tenzometr

REZISTORY

12

Základní katalogové parametry rezistorů

1. Jmenovitá hodnota elektrického odporu (Ω)

2. Tolerance (± číslo %)

- dovolená odchylka od jmenovité hodnoty odporu.

3. Jmenovité zatížení neboli ztrátový výkon (W)

- trvalé výkonové zatížení rezistoru při kterém ještě nedojde

k jeho přehřátí a zničení.

4. Jmenovité napětí (V)

- trvalé max. napětí mezi vývody při jmenovité okolní teplotě

REZISTORY

13

Základní katalogové parametry rezistorů

5. Jmenovitá teplota v okolí (°C)

- nejvyšší trvalá teplota okolo rezistoru, při které může rezistor

bez poškození pracovat i při jmenovitém výkonu.

6. Teplotní koeficient (součinitel) odporu (ppm/°C nebo ppm/K)

(ppm = part per milion, tzn. 1ppm = 10-6)

- vyjadřuje změnu hodnoty odporu při změně teploty o 1°C (1K)

7. Rozsah pracovních teplot (rozmezí hodnot ve °C)

- rozsah teplot, ve kterém výrobce garantuje parametry.

REZISTORY

14

Základní katalogové parametry rezistorů

8. Trvanlivost (± hodnota odporu Ω nebo číslo %)

- vyjadřuje změnu el. odporu při určité teplotě a způsobu

zatížení za 1000 hodin provozu.

9. Rozměrové parametry pouzdra a vývodů

REZISTORY

15

Konstrukce neproměnných rezistorů

Drátové rezistory

� Zhotovují se obvykle vinutím odporového drátu (konstantan,

manganin, chromnikl) na nosné keramické tělísko.

� Vývody jsou přivařeny ke koncům odporového drátu, případně

jsou tvořeny páskovými objímkami.

REZISTORY

16

Konstrukce neproměnných rezistorů

Drátové rezistory

� Jsou určeny pro větší výkonové zatížení, pro výkony na 30 W

se jako pouzdra používají hliníkové profily pro lepší odvod tepla

s možností montáže na chladič (max. teplota až do 350 °C).

� Nevhodné pro obvody střídavého proudu s vyšší frekvencí

(projeví se nežádoucí indukčnost a mezizávitová kapacita).

Náhradní schéma drátového rezistoru

REZISTORY

17

Konstrukce neproměnných rezistorů

Vrstvové rezistory uhlíkové

� Konstrukce je tvořena keramickým nosným tělesem (izolant),

na kterém je napařena nebo máčením nanesena vrstva

krystalického uhlíku.

� Hodnota odporu se při výrobě nastavuje frézováním nebo

laserovým vypalováním drážky do vrstvy uhlíku na povrchu.

� Celé těleso je opatřeno vrstvou ochranného laku.

REZISTORY

18

Konstrukce neproměnných rezistorů

Vrstvové rezistory uhlíkové

� Snadná výroba, levné, vhodné pro vysokofrekvenční (vf) obvody.

� Malá stabilita elektrického odporu, vyšší teplotní koeficient.

� Nízký dovolený ztrátový výkon (resp. jmenovité zatížení).

REZISTORY

19

Konstrukce neproměnných rezistorů

Vrstvové rezistory metal oxidové (vrstva oxidu kovu)

� Konstrukce je stejná jako u rezistorů uhlíkových, s tím rozdílem,

že místo vrstvy uhlíku je napařena na keramickém tělese vrstva

oxidu kovu nejčastěji SnO, SbO a nitridu tantalu.

REZISTORY

20

Konstrukce neproměnných rezistorů

Vrstvové rezistory metal oxidové (vrstva oxidu kovu)

� Cenově téměř srovnatelné s uhlíkovými rezistory.

� Výrazně vyšší stabilita elektrického odporu než uhlíkové.

� Možnost vyššího výkonového zatížení oproti uhlíkovým.

� Snesou vyšší povrchovou teplotu (až kolem 250 °C).

� Postupně vytlačují uhlíkové rezistory.

REZISTORY

21

Konstrukce neproměnných rezistorů

Vrstvové rezistory metalizované

� Kovová vrstva (typicky slitiny Ni-Cr a Si-Fe-Cr) se vakuově napaří

na keramické tělísko a opatří ochranným lakem.

� Nízký teplotní koeficient, dlouhá životnost a stálost parametrů,

bezindukční (velmi vhodné pro vf obvody).

� Vyšší výkonová zatížitelnost než u uhlíkových rezistorů.

� Vhodné např. pro bočníky/předřadníky měřících přístrojů.

REZISTORY

22

Konstrukce proměnných rezistorů

� Jsou tvořeny odporovou dráhou a jezdcem. Pohyb jezdce:

- rotační (otočné typy),

- posuvný (posuvné typy).

Otočný typ Posuvné typy

� Vyrábějí se jako vrstvové, drátové nebo z vodivých plastů.

REZISTORY

23

Konstrukce proměnných rezistorů

� U vrstvových potenciometru je na podkladovém materiálu

(tvrzený papír, keramika) nanesena vodivá vrstva z polovodivého

laku nebo cementu).

� Požadovaného průběhu odporové dráhy se dosahuje vhodným

tvarem odporové vrstvy:

N (resp. A) el. odpor se mění lineárně

G (resp. B) el. odpor se mění logaritmicky

E (resp. C) el. odpor se mění exponenciálně

REZISTORY

24

Konstrukce proměnných rezistorů

� Konstrukčně jsou provedeny jako:

- jednoduché (s jedním systémem),

- tandemové (2 systémy souběžně ovládanými 1 osou)

- dvojité (2 samostatné systémy)

REZISTORY

25

Konstrukce nastavitelných rezistorů (trimry)

� Odporové trimry mají odporovou dráhu stejného složení jako

vrstvové proměnné rezistory.

� Nejsou určeny k mnohonásobnému přestavování polohy běžce

(změna polohy jezdce obvykle pomocí nástroje - šroubováku).

Víceotáčkový cementovýKeramický

REZISTORY

26

Nelineární odpory

Termistor (NTC termistor)

� Polovodičová součástka, jejíž odpor s teplotou klesá.

� S rostoucí teplotou se v polovodiči uvolňuje stále více volných

nosičů, proud roste a odpor termistoru se snižuje o několik řádů.

� NTC = Negative Temperature Coefficient

� Rychlé a přesné snímání teploty.

REZISTORY

27

Nelineární odpory

Pozistor (PTC termistor)

� Polovodičová součástka, jejíž odpor s teplotou roste.

� Se zvyšující se teplotou se v polovodiči uvolňuje stále více

volných nosičů a hodnota odporu jen mírně klesá až do

okamžiku, kdy je volných nosičů tolik, že do sebe začnou

chaoticky narážet a navzájem si překážet, takže proud prudce

klesne a hodnota odporu se o několik řádů zvýší.

� PTC = Positive Temperature Coefficient

� Používá se jako teplotní ochrana (po překročení ϑ naroste R).

REZISTORY

28

Nelineární odpory

Závislost elektrického odporu na teplotě (NTC a PTC termistor)

REZISTORY

29

Nelineární odpory

Fotorezistor

� Polovodičová součástka, jejíž odpor s intenzitou dopadajícího

světla řádově klesá z MΩ na stovky Ω.

� Z polovodičového materiálu je na keramické destičce vytvořena

meandrová cestička, na kterou dopadá světlo. Energie světla

uvolňuje elektrony z vazeb, proud roste a hodnota odporu klesá.

REZISTORY

30

Nelineární odpory

Závislost elektrického odporu na osvětlení

REZISTORY

31

Nelineární odpory

Magnetorezistor

� V magnetickém poli dochází k ovlivňování toku nosičů náboje a

prodlužování jejich dráhy, což se projeví zvětšením odporu

magnetorezistoru.

REZISTORY

32

Nelineární odpory

Varistor (Variable resistor)

� Elektrický odpor varistoru klesá s rostoucím napětím.

� Při zvětšování napětí mezi vývody varistoru dochází nejprve k

pomalému nárůstu proudu (velký R, téměř konst.). Po dosažení

napětí Un prudce poklesne vnitřní odpor. Napětí na varistoru se

dále zvětšuje málo, dochází však k velkému nárůstu proudu.

� Používá se ke stabilizaci a omezení napětí.

REZISTORY

33

Nelineární odpory

VA charakteristika varistoru

KONDENZÁTORY

34

Funkce součástky:

1. Kondenzátor je elektrotechnická součástka, která má schopnost

dočasně akumulovat elektrický náboj.

2. Umožňuje regulovat procházející proud v závislosti na frekvenci

vstupního napětí. Snižuje svou reaktanci XC (zdánlivý odpor) při

zvyšování frekvence el. napětí (resp. el. proudu).

KONDENZÁTORY

35

Využití kondenzátorů:

� Filtrační, ladící, oddělovací, blokovací kondenzátor

� Dočasný akumulátor elektrického náboje

� „Časovací“ kondenzátor

� Kompenzace jalového výkonu (PFC obvody)

KONDENZÁTORY

36

Schématické značky:

Neproměnný, nepolarizovaný kondenzátor, obecná značka

Neproměnný, polarizovaný kondenzátor, elektrolytický kondenzátor

Proměnný (ladící) kondenzátor

Nastavitelný kondenzátor, kapacitní trimr

KONDENZÁTORY

37

Schématické značky:

KONDENZÁTORY

38

Základní konstrukce kondenzátoru:

Kondenzátor tvoří dvě elektrody mezi nimiž je izolační vrstva zvaná

dielektrikum. Prakticky musí být plocha elektrod co největší, avšak

rozměry kondenzátoru zůstat co nejmenší.

KONDENZÁTORY

39

Nabíjení kondenzátoru:Doba, za kterou se kondenzátor nabije

přibližně na 63% své kapacity:

� = � · �

Doba nabití na 100% kapacity:

� ≈ 5 · � · �

KONDENZÁTORY

40

Nabíjení kondenzátoru:

� Po připojení k ss zdroji napětí prochází proud vlivem rozdílu

potenciálů mezi elektrodami kondenzátoru a póly zdroje.

� Z elektrody připojené na (+) pól zdroje jsou elektrody odváděny,

nabíjí se tedy kladně.

� Na elektrodu připojenou k (-) pólu zdroje jsou elektrony

dodávány, nabíjí se záporně. Mezi elektrodami narůstá napětí Uc.

� Proud teče do vyrovnání potenciálů: poté Uc = U, Ic = 0.

KONDENZÁTORY

41

Nabíjení kondenzátoru:

V okamžiku připojení ke zdroji teče

maximální IC, napětí UC je nulové.

Za čtvrt periody je mezi elektrodami

UC maximální (napětí zdroje), IC již neteče.

U kondenzátoru tedy el. proud předbíhá

napětí o čtvrt periody, dochází k fázovému

posunu o 90° (π/2).

� Po připojení k střídavému zdroji napětí prochází el. proud

obvodem neustále, kondenzátor se střídavě nabíjí a vybíjí.

KONDENZÁTORY

42

Reaktance kondenzátoru (kapacitance):

� Zdánlivý odpor kondenzátoru, který klade střídavému proudu.

� Značí se XC, jednotkou je ohm (Ω):

�� =1

2 · � · � · �

� Čím větší je frekvence střídavého napětí, na které je kondenzátor

připojen, tím menší je reaktance XC a tím větší teče el. proud

obvodem. Celkový odpor kondenzátoru závisí na frekvenci.

KONDENZÁTORY

43

Základní katalogové parametry kondenzátorů

1. Jmenovitá hodnota kapacity C (F, Farad)

- množství uchovávaného náboje

- 1 Farad je velká hodnota, v praxi požíváme řádově: µF, nF, pF

- Kapacita závisí na konstrukci kondenzátoru:

� = �� · �� ·�

C – kapacita kondenzátoru (F)

S – účinná plocha desek (m2)

d – vzdálenost elektrod, tloušťka dielektrika (m)

ε0 – permitivita vakua = 8,85 × 10-12 F/m

εr – relativní permitivita (-) udává, kolikrát více materiál dielektrika

zeslabuje el. pole oproti vakuu (resp. kolikrát se zvětší kapacita).

KONDENZÁTORY

44

Základní katalogové parametry kondenzátorů

2. Maximální provozní napětí (V)

- maximální, trvale připojené, stejnosměrné napětí elektrod.

3. Tolerance (± číslo %)

- dovolená odchylka od jmenovité hodnoty kapacity.

4. Izolační odpor dielektrika (MΩ), zbytkový proud (μA)

5. Rozsah pracovních teplot (rozmezí hodnot ve °C)

- rozsah teplot, ve kterém výrobce garantuje parametry.

6. Rozměrové parametry pouzdra a vývodů (mm)

KONDENZÁTORY

45

Základní katalogové parametry kondenzátorů

7. Ztrátový činitel tg δ (-)

- Ztrátový úhel δ je úhel, o který se liší fázový posun mezi

průběhem okamžité hodnoty napětí a proudu reálného

kondenzátoru od fázového posunu na ideálním kondenzátoru,

který je π/2 (el. proud předbíhá napětí o čtvrt periody: ϕ = 90°)

Zjednodušené náhradní schéma reálného kondenzátoru

Představuje konečný el. odpor dielektrika

KONDENZÁTORY

46

Základní katalogové parametry kondenzátorů

7. Ztrátový činitel tg δ (-)

- ideální kondenzátor má dielektrikum s nekonečným R.

- uvádí se vždy pro určité kmitočty (např. 50 Hz a 100 Hz)

Fázorový diagram náhradního schématu reálné součástky:

!"# = �$

��

Pro ideální kondenzátor platí že IR=0 (R → ∞),

ztrátový úhel tg δ je tedy roven nule.

Čím bude číslo menší, tím kvalitnější součástka.

KONDENZÁTORY

47

Druhy kondenzátorů:

Svitkové kondenzátory

� Dielektrikum tvoří kondenzátorový papír nebo speciální

plast (polyetylén, polypropylén, polykarbonát)

� Elektrody jsou tvořeny hliníkovou folií

s vývody. Dielektrikum včetně elektrod je svinuto do válce.

KONDENZÁTORY

48

Metalizované kondenzátory

� Hliníková fólie může být nahrazena kovovou vrstvou napařenou

na dielektrikum.

�Odolné proti průrazu napěťovými špičkami.

�Dochází k obnovení funkčnosti po průrazu vypálením

poškozeného místa na fólii.

KONDENZÁTORY

49

Fóliové kondenzátory

� V jednom pouzdře je několik paralelně

spojených kovových elektrod oddělených

dielektrikem z plastu.

� Kapacity foliových kondenzátorů se pohybují řádově v rozmezí

nF až µF.

� Jmenovité napětí foliových kondenzátorů se pohybují v rozmezí

desítek až stovek voltů.

KONDENZÁTORY

50

Keramické kondenzátory

� Dielektrikum tvoří speciální keramika s velkou permitivitou a

malým ztrátovým činitelem.

� Vyznačují se malými rozměry (vývodové i SMD) a malou

kapacitou (řádově pF, nF).

KONDENZÁTORY

51

Elektrolytické kondenzátory (hliníkové, tantalové)

� Jsou polarizované (kladná a záporná elektroda), přepólování

znamená zničení kondenzátoru.

� Velká kapacita (řádově µF, mF).

� Maximální provozní napětí je nízké (jednotky až desítky voltů).

� Konstrukce kondenzátoru:

KONDENZÁTORY

52

Elektrolytické kondenzátory (hliníkové, tantalové)

� Kladná elektroda je tvořena kovovou fólií (hliník, tantal), jejíž

povrch je naleptán, čímž se nepravidelným zhrbolatěním zvětší

její plocha.

� Povrch kladné elektrody je pokryt velmi tenkou vrstvou oxidu

(<1µm), který tvoří dielektrikum.

� Zápornou elektrodu tvoří elektrolyt (pasta, kapalný, pevný),

který vyplní nepravidelné hrbolky na povrchu kladné elektrody.

� Připojení k "záporné elektrodě" obstará další kovová fólie.

CÍVKY

53

Funkce součástky:

1. Zdroj el. napětí: je-li cívka vystavena proměnnému

magnetickému poli (průchodem střídavého proudu závity cívky,

pohybem cívky v mag. poli), indukuje se v jejich závitech

elektrické napětí.

2. Elektromagnet: prochází-li závity cívky el. proud, vytváří se

uvnitř i vně cívky magnetické pole.

3. Proměnný odpor: Změnou frekvence připojeného střídavého

napětí se mění zdánlivý odpor cívky (regulace proudu).

CÍVKY

54

Schématické značky:

Cívka se vzduchovým jádrem, obecná značka

Cívka s feromagnetickým (železným) jádrem

Cívka s feritovým jádrem

CÍVKYY

55

Základní konstrukce cívky:

� Základem cívky je vinutí, které tvoří vodič (typicky měděný)

navinutý na nosné kostře z nevodivého materiálu.

� Je-li vodič většího průřezu, nemusí cívka kostru obsahovat

(samonosné vinutí).

� Uvnitř cívky se nachází jádro (vzduch, feromagnetický materiál),

které zesiluje účinky magnetického pole cívky (resp. zvětšuje

indukované napětí).

CÍVKY

56

Obecný princip cívky:

� Prochází-li vodičem el. proud, vytváří se kolem něj magnetické

pole, jehož indukční čáry mají tvar kružnic.

� Cívka je záměrně tvořena závity okolo jádra, aby se silové účinky

magnetického pole sčítaly uvnitř jádra cívky.

CÍVKYY

57

Druhy cívek:

1. Válcová cívka (solenoid)

� Cívka má vinutí umístěné na podélném jádře (kostře), které má

typicky průřez tvaru čtverce, obdélníku nebo kružnice.

CÍVKYY

58

Druhy cívek:

2. prstencová cívka (toroid)

� Cívka má vinutí umístěné na kruhovém jádře, které zároveň tvoří

kostru cívky. Indukční čáry jsou soustředěny převážně v jádře.

CÍVKY

59

Základní katalogové parametry cívek

1. Vlastní indukčnost cívky L (H, Henry)

- vyjadřuje schopnost cívky indukovat ve svých závitech napětí,

resp. vytvářet mag. pole průchodem el. proudu závity cívky.

- Vlastní indukčnost závisí na konstrukci cívky:

% = &� · &� · '� ·

�

L – vlastní indukčnost cívky (H)

N – počet závitů

S – průřez jádra (m2)

d – délka jádra (m)

μ0 – permeabilita vakua = 1,257 × 10-6 H/m

μr – relativní permeabilita (-) materiálová konstanta, udává, kolikrát se zesílí

magnetické pole (zvětší indukované napětí) oproti vakuovému jádru.

CÍVKY

60

Základní katalogové parametry cívek

2. Maximální, trvale procházející proud (A)

3. Tolerance (± číslo %)

- dovolená odchylka od jmenovité hodnoty indukčnosti.

4. Skutečný odpor vinutí R (Ω)

5. Počet závitů cívky

6. Materiál (permeabilita) jádra, materiál vodiče vinutí

7. Činitel jakosti Q = XL / R

8. Rozměrové parametry cívky (m)

CÍVKY

61

Náhradní schéma cívky:

� Zjednodušené náhradní schéma uvažuje pouze ideální indukčnost LS a

skutečný odpor vinutí RS. Vhodné pouze pro obvody s nízkým

kmitočtem.

� Pro vysokofrekvenční obvody se navíc uvažuje mezizávitová kapacita.

CÍVKY

62

Indukce elektrického napětí

1. Pohybem cívky v magnetickém poli

� Je-li cívka vystavena časově proměnnému mag. poli, působí toto

pole na volné elektrony ve vodiči a uvede je do pohybu.

� V každém závitu cívky vzniká rozdíl potenciálů, tzv. indukované

napětí.

� Velikost napětí závisí na počtu závitů a časové změně mag. toku.

() = −' ·∆+

,-

CÍVKY

63

Indukce elektrického napětí

1. Průchodem časově proměnného (střídavého) proudu

� Prochází-li závity cívky časově proměnný proud, vytvoří se časově

proměnné magnetické pole.

� V každém závitu cívky dojde k indukci napětí, které působí proti

svorkovému napětí zdroje!

() = −% ·∆.

,-

CÍVKY

64

Reaktance (zdánlivý odpor) cívky

� Jelikož indukované napětí působí proti napětí zdroje, dojde k

celkovému snížení proudu, tekoucího obvodem.

� Čím větší bude indukované napětí, tím menší poteče proud

obvodem. Civka se chová jako proměnný odpor – reaktance XL

() = −% ·∆.

,-�� = 2 · � · � · %

CÍVKY

65

Cívka v obvodu stejnosměrného proudu

V okamžiku připojení cívky ke zdroji

dojde k velké časové změně proudu,

indukuje se napětí, které v okamžiku

připojení potlačí proud v obvodu

(opačný směr vůči napětí zdroje).

Po ustálení (nulová časová změna

proudu) se napětí neindukuje a

neklade tedy odpor proudu

(pouze odpor vinutí cívky R).

CÍVKY

66

Cívka v obvodu střídavého proudu

• U cívky se el. proud zpožďuje za napětím o čtvrt periody, dochází k fázovému

posunu o 90° (π/2).

Děkuji za pozornost…

KONEC PREZENTACE

67chmiel@outech-havirov.cz