OK1HDU (Hamradio, electronics, travelling, photography, ok7u...)
599.cz - Homepage 599.cz - Homepage Memorial OK1WC SOTA - Vrcholy v éteru Optimalizováno pro web... Než něco pošlete dál, přečtěte si ... hoax.cz
     Dnes: 24. 06. 2018    fotogalerie na 599.cz spaceweather.com Bouřky v Česku v novém okně Bouřky v Evropě v novém okně Ionogram Průhonice v novém okně Contest calendar WA7BNM v novém okně RSS summary of the last 7 articles    
O   Hlavní menu
Hlavní stránka

Zajímavé odkazy

Download

Zasílání novinek

O   Seznam rubrik
mínus technika, bastleni
mínus provoz, závody
mínus Od krystalky k SSB
mínus ostatní

f e e d b a c k

O   Počasí v Holicích
JO70XC


O   VOACAP KV Online

O   VOACAP pro CB
Šíření na CB

PHPRS fórum


<a3>Od krystalky k SSB</a3>

Zpět Od krystalky k SSB - kapitola 2 (b)

Vydáno dne 01. 02. 2008 (12115 přečtení)

titulek Druhá část druhé kapitoly vysvětluje základní věci okolo kondenzátorů, cívek a transformátorů. Během pár dnů umístím do sekce Download celou druhou kapitolu (část a i b) jako .pdf dokument.


Kondenzátory

Kondenzátory jsou součástky, které uchovávají náboj, podobně jako baterie. Kondenzátory jsou obvykle konstruovány jako dvě paralelní desky z vodivého kovu, které jsou oddělené tenkou izolační vrstvou. Izolace může být vzduch, papír, umělá hmota, slída, nebo dokonce vakuum. Pokud tyto dvě desky připojíme na póly baterie, náboj se po vodiči nahrne do kondenzátoru. Jelikož se pozitivní a negativní náboj přitahují, náboj se nahromadí na deskách, jako kdyby chtěl přeskočit izolační mezeru. Napětí mezi deskami je dáno napětím připojené baterie a zůstane stejné dokonce i po odpojení baterie. Náboj je na deskách držen přitažlivou silou náboje z protější desky.

Pokud má nabitý kondenzátor kvalitní izolaci mezi deskami, která nedovolí "prosakování" proudu, může kondenzátor uchovávat náboj po nekonečně dlouhou dobu. Například velké nízkovoltové kondenzátory se občas používají k zálohování pamětí RAM v počítačích, zatímco ostatní části počítače jsou vypnuty. V dnešní době však mohou kondenzátory, coby záložní zdroj, stěží konkurovat elektrochemickým bateriím.

1

V kondenzátoru vytvářejí elektrony nahromaděné na deskách elektrické pole napříč mezerou (izolantem). Jiný způsob, jak se můžeme dívat na nabitý kondenzátor je, že elektrické pole napříč izolační mezerou uchovává energii, podobně jako magnet uchovává energii v magnetickém poli uvnitř a okolo kusu magnetu.

Napětí na kondenzátoru se nemůže změnit okamžitě.

V elektronice je jednou z nejdůležitějších vlastností kondenzátorů to, že napětí na kondenzátoru se nemůže změnit okamžitě. Proud, který teče dovnitř nebo ven z kondenzátoru se může změnit okamžitě, ale napětí se mění s tím, jak je více náboje uloženo do kondenzátoru, nebo z kondenzátoru odstraněno. Jinak řečeno, aby se změnilo napětí na kondenzátoru musí nejdřív do něj nebo z něj téci proud. Napětí na odporu a proud odporem jsou, na rozdíl od kondenzátoru, proporcionální a mění se okamžitě. Vztah mezi napětím a proudem, je u odporů jednoznačně dán Ohmovým zákonem. U kondenzátorů platí Ohmův zákon pouze pokud je střídavé napájecí napětí sinusovka s konstantním kmitočtem.

Kondenzátory jsou běžně v obvodech používány čtyřmi rozdílnými způsoby.

  • Uchovávají energii na krátkou dobu.
  • Jelikož se napětí na kondenzátoru nemůže změnit okamžitě, jsou kondenzátory používány na vyhlazení napětí. Například stejnosměrný zdroj používá velké kondenzátory na udržení stejnosměrného napětí na konstantní hodnotě.
  • Kondenzátory jsou užívány na oddělení střídavých a stejnosměrných signálů. Kondenzátory vedou střídavý proud, podobně jako odpory. Avšak díky izolační vrstvě brání průchodu stejnosměrného proudu.
  • Kondenzátory spolu s cívkami (indukčnostmi) se používají na vytvoření rezonančních obvodů. Rezonanční obvody tvořené kondenzátory a indukčnostmi jsou základem radiotechniky, a budou později probrány podrobněji.

Farady

Schopnost kondenzátoru uložit v sobě náboj nazýváme "kapacita", a měříme ji ve FARADECH. (Michael Faraday) Kondenzátor o kapacitě jednoho faradu je obrovský. Ačkoli by takový kondenzátor bylo možné koupit, izolační vrstva by byla velice tenká a snesl by pouze velmi nízké napětí, zřejmě jen pár voltů. V komerční nízkofrekvenční elektronice a v napájecích zdrojích se obvykle používají kondenzátory v řádu MIKROFARADŮ - jedné miliontiny faradu. (1μF=0,000001F=10-6F; čti deset na mínus šestou)

Mikrofarady se zapisují jako μ Farady, kde je řecké písmeno μ (čti mí) zkratka pro "mikro". Například veliký kondenzátor o kapacitě 10 000 mikrofaradů může být označen jako "10 000 μF".

Kondenzátory uchovávají elektrický náboj, který je měřen v COULOMBECH. Jeden Coulomb je 6,242 miliard-miliard elektronů. (Charles-Augustin de Coulomb). V elektronických laboratořích je běžný vtip, kdy se nabije velký kondenzátor (dejme tomu 10 000μF) na napětí přes 20 voltů. Pak se zavolá "Hej Joe, chytej!" a hodí se "kamarádovi". Joe ho chytí, a dostane ránu, jak se kondenzátor vybije přes jeho prsty.

Defibrilátor na obnovení srdečního rytmu funguje na stejném principu. Veliký kondenzátor se nabije energií přibližně 400 joulů. (to je 400 wattů po dobu jedné sekundy). Poté se kondenzátor vybije přes veliké elektrody umístěné na hrudníku pacienta. Defibrilovaný dostane strašnou ránu a to může být nebezpečné, pokud je to provedeno nesprávným způsobem.

Všimni si, že jakýkoli vodivý předmět, který je izolovaný od jiného vodiče vytváří kondenzátor. Například naše tělo je vodivý předmět. Pokud máš obuty boty s gumovou izolační podrážkou a stojíš na kovové podlaze, vytváříš tak ve vztahu k podlaze kondenzátor. Kapacita tvého těla může být, řekněme 50 pikofaradů. Pikofarad je jedna tisícina z jedné miliardtiny faradu.(1pF=0,000000000001F=10-12F, čti deset na mínus dvanáctou). Vypadá to jako bezvýznamná věc, ale není.

Pokud je nízká vlhkost, tvé tělo se může nabít až na tisíce voltů (jak šoupeš nohama po vlněném koberci). Naštěstí tvé tělo pojme nepatrný náboj, typicky méně, než 1 mikrocoulomb. Jinak bys mohl být zabit elektrickým proudem, a ne jenom vyděšen ránou, kterou dostaneš, když se dotkneš něčeho kovového. Tento jev je velmi důležitý, pokud zacházíme s integrovanými obvody a tranzistory. Vybití náboje tvého těla přes čip v součástce ji může v mžiku zničit. Pokud pracuješ s tranzistory a integrovanými obvody, zvláště, pokud jsou vyrobeny technologií FET, vždy se uzemni, než se jich dotkneš.

Paralelně zapojené kondenzátory spočítáme stejně jako sériově zapojené odpory.

Pokud jsou dva kondenzátory zapojeny paralelně, je celková kapacita součtem jejich jednotlivých kapacit. To se dá snadno představit. Pokud jsou oba kondenzátory stejné, bude velikost paralelně zapojených desek dvojnásobná, zatímco všechno ostatní zůstává stejné.

Celková kapacita = C1 + C2 + C3 + ... atd.

Pokud budou kondenzátory v sérii, výpočet výsledné kapacity připomíná výpočet paralelně zapojených odporů.

Kondenzátory v sérii budou mít menší schopnost pojmout náboj, ale zvětší se jejich izolační schopnost, takže vydrží vyšší napětí. Hodnotu napětí, kterou můžeme mít na kondenzátoru nazýváme jeho pracovním napětím.

Výsledná kapacita = 1 / (1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ... atd.)

Pokud máme v sérii pouze dva kondenzátory, můžeme výslednou kapacitu vypočítat podobně jako u dvou paralelních odporů.

Výsledná kapacita = C1 x C2 / (C1 + C2)

Proud který teče do kondenzátoru v jednotlivých okamžicích může být vypočítám na základě ohmova zákona. Bohužel, vyjádření celého rozsahu hodnot, jak se postupně mění napětí je potřeba diferenciální rovnice.

Obecně:

I = (δU / δt) / C

kde t je čas, a C je kapacita ve faradech. "δU" je diference napětí a "δt" je diference času. (δ je malé řecké písmeno delta, někdy se používá též "d").

Život je pro amatéra příliš krátký na to, aby se do hloubky zabýval diferenciálními rovnicemi. (S výjimkou, že ho to zajímá). Naštěstí to většinou nepotřebujeme. Ve většině případů si pomůžeme jednoduššími výpočty, kterými zjistíme, co potřebujeme vědět.

Například:
Z pohledu sinusového střídavého proudu vypadá kondenzátor v podstatě jako odpor. Tím pádem, pokud přiložíme na kondenzátor střídavé napětí, bude proud, který jím protéká určen velikostí tohoto napětí. V extrémním případě, pokud bude kmitočet nekonečně vysoký bude se kondenzátor chovat jako odpor s nulovou hodnotou - jako zkrat. V druhém extrémním případě, pokud přiložíme stejnosměrné napětí, bude kondenzátor představovat otevřený obvod - nekonečný odpor. Konec konců, kondenzátor je jenom kus izolantu, který odděluje dva vodiče. A pokud se přiložené napětí nebude měnit třeba po celé věky, žádný proud nepoteče ani dovnitř ani ven z kondenzátoru.

Kapacitní reaktance

Na kmitočtech mezi nulou a nekonečnem klade kondenzátor střídavému proudu odpor. Jeho hodnotu, kterou nazýváme kapacitní reaktance můžeme vypočítat podle následující rovnice.

Reaktance v ohmech = 1 / [2 x π x (kmitočet) x (kapacita ve faradech)]

Xc = 1 / (2 x π x f xC)

Kde π je malé řecké písmeno "Pí", jehož hodnota je přibližně 3,1416

Například hodnota kondenzátoru 5uF při kmitočtu 60 Hz je:

Xc = 1 / [ 2 x π x (60Hz) x (5uF)] = 530ohmů

Tuto hodnotu můžeme použít na zeslabení střídavého signálu, podobně jako odpor. Nebo s tím můžeme vytvořit dělič střídavého napětí. V příkladu níže jsou použity dva kondenzátory 5 mikrofaradů v sérii, čímž vytvoříme dělič napětí, který sníží střídavé napětí na polovinu.

2

Na rozdíl od podobného děliče vyrobeného z odporů 530 ohmů, není zde energie vyzařována v podobě tepla, takže neplýtváme energií.

Elektrolytické kondenzátory.

Kondenzátory s hodnotou větší než dejme tomu 1 mikrofarad, jsou téměř vždy elektrolytické kondenzátory. V děliči na obrázku výše značí malé znaménko +, že jde o kondenzátory elektrolytické. To také znamená, že pokud je zapojujeme do obvodu, musíme je zapojit tak aby vývod označený + byl tam, kde převažuje kladná hodnota napětí. V příkladu výše na polaritě nezáleží, protože na kondenzátorech je pouze střídavé napětí.

Elektrolytické kondenzátory dosahují veliké kapacity díky dvěma fintám.

  • Tou první je, že izolační vrstva je vrstva kysličníku, elektrochemicky vytvořená na plátku hliníku nebo tantalu. Tato izolační vrstva může být extrémně tenká. Kapacita je nepřímo úměrná vzdálenosti mezi deskami. Tedy čím tenčí izolace, tím větší kapacita. Jelikož je izolační vrstva chemicky vytvořená na kovu, nejsou mezi ní a kovem žádné mezery a kontakt je tedy velmi těsný.
  • Druhá finta je, že ačkoli je jeden pól kondenzátoru kovový plátek, druhý pól tvoří elektrolytický roztok, solná lázeň. Kapalina tvoří extrémně těsný kontakt s izolační vrstvou, takže skutečná mezera mezi dvěma vodivými deskami je opravdu nepatrná. Pouze několik molekul silná.

    Elektrolytické kondenzátory musejí být zapojeny se správnou polaritou.

    A teď ta horší zpráva: U elektrolytických kondenzátorů záleží na polaritě. Jinými slovy, musejí být v obvodu zapojeny vždy tak, že jeden pól je vždy kladný a druhý záporný. Pokud bychom elektrolytický kondenzátor zapojili obráceně, izolační vrstva kysličníku by se stejnosměrným proudem rozložila a kondenzátor by se zkratoval. Jakmile se elektrolyt zkratuje obvykle vybuchne a vypustí obláček smradlavého kouře. Tantalový kondenzátor může chytnout plamenem. Je opravdu "vzrušující" když ti to vyprskne do obličeje. Proto si dávej vždycky velký pozor, že je máš zapojeny ve správné polaritě. Zvláště důležité je to u stejnosměrných napájecích zdrojů, kde je kondenzátor vystaven stále stejné polaritě.

    Naštěstí v nízkofrekvenčních obvodech nevadí, pokud je polarita krátce opačná. Například, pokud je elektrolytický kondenzátor použit u výkonového HI-FI reproduktoru, audio signál, který přes něj prochází je chvíli kladný, chvíli záporný (střídavý). Ale pokud zrovna nic nehraje, musí být stejnosměrné napětí na kondenzátoru ve správné polaritě. Existují také speciální "nepolarizované elektrolyty" (bipolární elektrolyty). Jsou vyrobeny vlastně ze dvou elektrolytů proti sobě. V principu jsou dvakrát větší, než polarizované elektrolyty stejné kapacity.


    CÍVKY

    Cívky mají funkci přesně opačnou než kondenzátory. Vzpomeň si, že napětí na kondenzátoru se nemůže změnit okamžitě. Podobně proud skrz cívku se nezmění okamžitě. Kdykoli se elektrony pohybují drátem, objeví se v prostoru kolem tohoto drátu magnetické pole. Jelikož je tato energie skutečná, neobjeví se tam jen tak zadarmo. Cena za vytvoření tohoto pole je, že tato energie musí být vytvořena ve vodiči a musí "nabít" magnetické pole předtím, než mohou elektrony vodičem procházet. V prvním okamžiku, jakmile začne proud vodičem procházet, jeví se vodič jako jakýsi pseudo-odpor. Poté, když je pole vytvořeno, sníží se tento pseudo-odpor na nulu a proud může procházet bez zábran.

    Tuto vlastnost vodičů nazýváme indukčnost. Čím je drát delší, tím má indukčnost větší. Indukčnost měříme v jednotkách Henry. Jednotka byla pojmenována po anglickém fyzikovi jménem Joseph Henry, který jako první tento jev popsal. V rovnicích bývá indukčnost označena písmenem "L", což moc smyslu nedává.

    Konstrukce cívky

    Na obrázku níže vidíme několik závitů vodiče, které tvoří cívku. Vodič navinutý do takovéto cívky má mnohem větší indukčnost, než rovný natažený drát stejné délky. Magnetická pole všech závitů se překrývají a shromažďují se v centru cívky.

  • 3

    Čím je na cívce více závitů, tím větší indukčnost to vytváří. Přesněji řečeno, indukčnost je úměrná čtverci (druhé mocnině) počtu závitů. Tím pádem cívka se sedmi závity, jako ta na obrázku, má 7x7 tedy 49-krát větší indukčnost než by měla cívka s jedním takovým závitem. Všimni si, že magnetické pole vyráběné touto cívkou je skutečný magnet. Může třeba přitahovat železné piliny. No, vždyť veliké elektromagnety podobné tomuto se používají ve sběrnách železného šrotu na zvedání aut. Ale na rozdíl od magnetu z ledničky může být tento magnet zapínán a vypínán vypínačem.

    Pokud by sis chtěl sestrojit veliký elektromagnet, podobný tomu ve sběrně šrotu, byla by taková cívka se vzduchovým jádrem, jako na obrázku výše, velmi nepraktická. Mimochodem, abys vyvolal pole dostatečně silné ke zvedání aut, musel bys navinout mnoho závitů a spotřeboval bys kilometry drátu. Kilometry drátu by měly obrovský elektrický odpor. Teď nemám na mysli "impedanci", nebo "reaktanci" ale prostě obyčejný elektrický odpor měděného drátu. Abys protlačil dostatečný proud přes tento veliký odpor, potřeboval bys zdroj vysokého napětí, schopný poskytnout rovněž veliký proud. A stejně, pokud bys to zapojil, tak by se všechny těsně navinuté závity cívky rozžhavily doběla. Jak jsme si již řekli dříve, výkon=napětí krát proud. Bylo by nebezpečí, že se cívka s vysokým elektrickým odporem roztaví, protože výkon, který musí rozptýlit by byl příliš veliký.

    Jak můžeme vidět na permanentních magnetech, magnetické pole, jakmile bylo jednou vytvořeno, vůbec nepotřebuje přísun energie. Na vytvoření pole je potřeba pouze proud. V permanentním magnetu jsou to elektrony, obíhající kolem železných nebo jiných magnetických atomů, co vytváří tento proud. Žádný vnější příkon není potřeba na udržení těchto elektronů na jejich drahách, takže permanentní magnet může vytvářet magnetické pole třeba na věky. Teoreticky bychom mohli vytvořit uzavřenou smyčku ze supravodiče, a permanentní magnet vyrobit tak, že by touto bezeztrátovou smyčkou donekonečna protékal proud. V praxi však nemáme supravodivý drát pro vysoké proudy za vysoké teploty.

    Avšak, i z běžného železa může být vytvořen magnet, i když nemá všechny atomy polarizovány ve stejném směru. Elektromagnety jsou tvořeny navinutím cívky okolo kusu železa.

    Proud skrz cívku se nemůže změnit okamžitě.

    Jedna z nejdůležitějších vlastností cívek, využívaná v elektronice je, že proud skrz cívku se nemůže změnit okamžitě. Napětí na cívce se může změnit ihned, ale proud se nemůže změnit, dokud se magnetické pole, které cívku obklopuje nezvýší, nebo nesníží. Jinými slovy, nejdříve se musí změnit napětí na cívce, aby donutilo ke změně proud a jemu odpovídající magnetické pole. Závěr je, že cívka se chová přesně opačně než kondenzátor. Stejně jako u kondenzátorů, platí Ohmův zákon u cívek pouze v případě, že jsou napájeny konstantním střídavým napětím s konstantním kmitočtem.

    Cívky jsou v elektronice běžně používány čtyřmi základními způsoby:

    • Cívky slouží k udržování konstantního proudu. Brání náhlým změnám proudu, které by jinak mohly poškodit ostatní součástky. Používají se v různých druzích filtrů a stabilizátorech napětí a proudů.
    • Cívky vytvářejí magnetické pole, které přitahuje železo a tím vyvolává pohyb. Z tohoto důvodu jsou cívky součástí relé, solenoidů, motorů nebo reproduktorů.
    • Cívky, jako součást transformátorů, nebo samostatně, se používají na změnu napětí nahoru, nebo dolů.
    • Společně s kondenzátory vytvářejí rezonanční obvody. Rezonanční obvod tvořený kondenzátorem a cívkou je základem veškeré rádiové vysokofrekvenční technologie. Detailně budou probrány později.

    Jednotka indukčnosti je Henry

    Jednotka pro měření základní vlastnosti cívky - indukčnosti je Henry. Hodnota jednoho Henry je poměrně veliká. Cívka s tak velikou hodnotou bude mít téměř jistě železné jádro a většinou bude použita v zařízení na nízkých kmitočtech. Například v napájecím zdroji. Na rádiových kmitočtech je přiměřená hodnota v řádu mikrohenry (μH). Jak uvidíš, většina vysokofrekvenčních obvodů používá cívky v rozsahu 1 až 100 μH. Jakou energii může cívka zpracovat měříme v ampérech. Například malá cívka cívka může mít 1mH (milihenry) a 100mA (miliampér). Pokud bys do ní pustil více, než 100mA, drátek by se mohl přepálit, nebo pokud by cívka měla železné jádro, mohlo by se jádro saturovat (nasytit) a indukčnost by dramaticky klesla na hodnotu mnohem nižší, než předpokládaných 1mH. Železné jádro a jeho saturace bude podrobněji krátce vysvětlena později.

    Cívky zapojené do série

    Jestliže musí proud procházet přes dvě, nebo více cívek v sérii, bude celková indukčnost rovna součtu jednotlivých indukčností. Pokud budou dvě stejné cívky zapojeny do série, musí proud překonávat dvakrát tolik překážek, ale nakonec bude vytvořeno dvakrát více magnetického pole. Výslednou indukčnost cívek v sérii spočítáme prostě tak, že sečteme hodnoty indukčností jednotlivých cívek.

    Celková indukčnost = L1 + L2 + L3 + L4 + .... atd.

    Cívky zapojené paralelně

    Pokud zapojíme dvě stejné cívky paralelně, bude se nám indukčnost směrem od zdroje napětí jevit poloviční než u jediné cívky. To způsobí dvojnásobný proud a magnetické pole se vytvoří dvakrát rychleji ale bude mít poloviční velikost. Pokud budou mít cívky stejnou hodnotu, je jasné jak se v nich proud rozdělí. Pokud však mají dvě paralelní cívky rozdílné indukčnosti, musíme výslednou indukčnost vypočítat podle vzorce:

    Výsledná indukčnost = 1 / (1/L1 + 1/L2 + 1/L3 + ....atd)

    Čili výsledná indukčnost je převrácená hodnota součtu převrácených hodnot jednotlivých indukčností. Pokud bychom měli pouze dvě cívky, bude vzorec možné poněkud zjednodušit.

    Výsledná indukčnost = ( L1 x L2 ) / ( L1 + L2 )

    Vypočítat proud cívkou při konstantním střídavém sinusovém napětí je možné pomocí Ohmova zákona. Bohužel, pokud nepůjde o stabilní sinusovku, je výpočet komplikovaný, protože se bude proud měnit v čase. Abychom to vypočítali správně za jakýchkoli podmínek, je nutné použít diferenciální rovnici.

    Konkrétně:

    Napětí(t) = L dI / dt

    Kde t je čas a L je indukčnost v Herny. Proč "L"? Indukčnost by mohla být I, ale to už je použito pro proud. Naštěstí amatéři málokdy potřebují tyto přesné výpočty. Jestliže je proud sinusový, dá se napětí nebo ekvivalentní "odpor" cívky (induktivní reaktance) docela snadno spočítat.

    Induktivní reaktance

    Z pohledu konstantního sinusového střídavého proudu se cívka jeví jako odpor. Při jednom extrému - pokud by byl kmitočet nekonečně vysoký, bude střídavý odpor nekonečný. Na opačném konci - při stejnosměrném proudu, se bude cívka jevit jako dlouhý kus drátu. Jinými slovy, ideální cívka bude mít nulový odpor. Na kmitočtech mezi nulou a nekonečnem bude klást střídavému proudu odpor, jako kdyby to byl rezistor. Ekvivalentní odpor neboli Induktivní reaktanci můžeme vypočítat takto:

    XL = 2 x π x f x L

    Například reaktance cívky, která má indukčnost 5 Henry bude při kmitočtu 60Hz:

    XL = 2 x π x (60Hz) x (5H) = 1885 Ω (Ohmů)

    Stejně jako kondenzátory, mohou být i cívky použity k omezení proudu, nebo v děliči napětí. Například dvě cívky o hodnotě 5H v sérii mohou fungovat jako dělič napětí na polovinu. Avšak na rozdíl od podobného děliče napětí, který bychom složili ze dvou odporů hodnoty 1885 Ω, nebude žádná energie ztracena.

    4

    Pokud bychom potřebovali reaktanci 530 Ω, jako u předchozích děličů napětí, můžeme si potřebnou indukčnost vypočítat. Jak vidíš - menší indukčnost znamená menší reaktanci.

    530 Ω = 2 x π x (60Hz) x (L) ; L = 1,4 H

    Cívka se železným jádrem

    Pokud do cívky vložíme železný váleček, její indukčnost i energie magnetického pole se prudce (až řádově) zvýší. Toto je způsob, jak se vytvoří vysoce výkonný elektromagnet. Čárkované čáry vedle symbolu cívky na obrázku napěťového děliče nám říkají, že cívka má železné jádro. Prakticky každá cívka s hodnotou vyšší než asi 0,5H bude mít téměř vždycky železné jádro. Jinak bychom těžko dosáhli tak velké indukčnosti. Možná, až budeme mít běžně k dispozici supravodiče při pokojové teplotě to už nebude pravda. Ale zatím stále velké indukčnosti potřebují železné jádro.

    5

    Transformátory

    Transformátory jsou součástky, sestavené ze dvou, nebo více cívek, které sdílejí stejné magnetické pole. Představ si, že dvě cívky přiblížíme k sobě tak, že magnetické pole jedné z nich protne zároveň druhou cívku. Změna magnetického pole přenese energii z jedné cívky do druhé. Pokud bychom připojili voltmetr, nebo osciloskop na odpor připojený k sekundární cívce, viděli bychom, jak napětí vyskočí z nuly na nějakou hodnotu a poté zase rychle zeslábne na nulu. Je to tím, jak se vytvořilo magnetické pole ve druhé cívce. Jakmile je statické magnetické pole vytvořeno v obou cívkách, nenaměříme na sekundárním vinutí žádné napětí.

    6

    Transformátor se železným jádrem

    Pokud vložíme do cívek transformátoru železné jádro, obrovsky se zvýší indukčnosti obou vinutí. Tím se zároveň obrovsky prodlouží napěťový impuls, který můžeme sledovat na sekundární cívce.

    7

    Bohužel, běžné železo je nejen dobrý magnetický materiál, ale zároveň také dobrý elektrický vodič. Jak víš, měděné vinutí je složeno ze smyček vodivého kovu, zatímco železné jádro je vodivý kov v celém svém objemu. Tím pádem se železné jádro chová jako svazek zkratovaných smyček které "kradou proud" měděnému vinutí. Výsledkem je, že primitivní transformátor jako ten na obrázku výše funguje velmi špatně, pokud nejsou změny proudu velmi pomalé. Čili pokud budou změny proudu velmi pomalé, dejme tomu ruční vypínání a zapínání elektromagnetu, pak to bude fungovat celkem dobře. Avšak pokud by bylo přepínání rychlejší a rychlejší, bude se stále více a více energie spotřebovávat na cirkulační proudy uvnitř železného jádra.

    Automobilová zapalovací cívka

    Problém s cirkulačními proudy se zmenší, pokud rozdělíme železné jádro na tenké proužky plechu. Tím donutíme proudy aby cirkulovaly v malých smyčkách, čímž se nevyplýtvá tolik energie. Obrázek níže zobrazuje zjednodušený systém automobilového zapalování. Vypínač je v tomto případě přerušovač. V moderních automobilech je tento vypínač ve skutečnosti tranzistor, ale princip je stejný jako ve starých autech s mechanickým přerušovačem. Jelikož motor může zapálit až několik tisíc-krát za sekundu, rychlost změny proudu v primáru je opravdu vysoká.

    8

    Základním principem automobilového zapalování je, že napětí na sekundárním vinutí musí být extrémně vysoké. Bez vysokého napětí by jiskra v mezeře zapalovací svíčky nepřeskočila. Napětí je zvýšeno tím, že sekundární vinutí má mnohem více závitů, než vinutí primární. Důležitý způsob jak můžeme využít transformátorů je na změnu střídavého (AC) napětí nahoru, nebo dolů tím, že zvýšíme, nebo snížíme počet závitů sekundárního vinutí.

    Výstupní výkon na sekundáru je (téměř) stejný jako výkon přiváděný do primáru.

    Transformátor transformuje poměr proudů nepřímo úměrně k poměru napětí. Jinými slovy: Pokud je napětí na sekundáru zvýšeno, musí být proud odebíraný ze sekundáru úměrně snížen. Výkon, který z transformátoru odebíráme zůstává stejný jako výkon, který do něj přivádíme.

    Vstupní výkon = (Vstupní napětí) x (Vstupní proud) = Výstupní výkon = (Výstupní napětí) x (Výstupní proud)

    Generování sinusových proudů

    Alternátor je zařízení, které vyrábí střídavý proud o nízkém kmitočtu. Jak funguje, si krátce vysvětlíme později. V tuto chvíli ho prostě použijeme jako zdroj střídavého napětí pro primární vinutí transformátoru. Na rozdíl od jednoduchého vypínače a baterie poskytuje alternátor sinusový střídavý proud. Když tento zdroj připojíme na primární vinutí transformátoru, budeme mít na sekundárním vinutí rovněž sinusové napětí, stejně jako na primáru. Velikost napětí, které se objeví na sekundáru bude úměrná poměru počtu závitů primárního a sekundárního vinutí. Příklad na obrázku níže ukazuje na sekundáru dvojnásobný počet závitů než na primáru. Tím pádem bude mít sekundární napětí dvojnásobnou hodnotu než napětí primární. A pochopitelně z něho můžeme odebírat poloviční proud, než jaký přivádíme do primáru.

    9

    Transformátory na toroidním jádře, nebo jádře s uzavřenou magnetickou smyčkou.

    Nejvyšší účinnost dosáhneme, pokud je magnetické pole udrženo v jádře, a nedovolíme mu, aby vyplňovalo prostor okolo transformátoru. Zároveň největší indukčnost na jeden závit dosáhneme, pokud je jádro uzavřená magnetická smyčka. Na obrázku níže je jádro složeno z tenkých plechů složených k sobě (takže vidíme pouze ten nejblíže k nám).

    10


    Distribuce elektřiny v domácnosti

    [ Následujících několik odstavců v originálním textu vysvětluje způsob distribuce elektřiny v domácnosti v USA.
    Jelikož u nás v ČR je to dost odlišné, tuto část jsem vynechal, aby to náhodou někoho nezmátlo. Pokud bych někde na internetu našel dostatečně názorně vysvětlen způsob distribuce elektřiny v ČR tak, aby to pochopil i laik, tak sem dám odkaz. Pokud by někdo o takovém článku věděl, byl bych rád, kdyby mne na něj upozornil. ]

    Nízkofrekvenční transformátory v domácnosti.

    120 voltů 60Hz (u nás 240 V 50Hz) síťové transformátory jsou v domě běžnou věcí. Většina spotřebičů, které obsahují nějakou elektroniku má v sobě transformátor na snížení síťového napětí na 12 voltů, nebo méně. Nejběžnější konstrukce je transformátor s uzavřeným jádrem, jako na obrázku výše. Vinutí jsou obvykle umístěna jedno na druhém, místo na opačných stranách jádra. Jádro má také většinou dvě "okénka" a cívky jsou navinuty na středovém sloupku.

    Bezpečnost je výhodnou vlastností transformátorů. Transformátory jsou často použity k izolování střídavých napětí od země. Pokud je například vstup primáru vztažen k zemi, budou přesto oba konce sekundáru vztaženy pouze vůči sobě. No dobře. V závislosti na konstrukci transformátoru může být až jeden miliampér prosakujícího proudu, pokud bychom jeden konec sekundáru připojili k zemi. V dobře navrženém transformátoru to může být pouze třeba několik mikroampér. Ale pro praktické použití nemá střídavé napětí na sekundáru žádný vztah k zemi.

    Jak asi víš, je naše střídavé napětí v domě vztaženo k "zemi". Zem je doslova ta vlhká hlína na tvém dvoře. To znamená, že pokud by ses chytil jednou rukou uzemněné vodovodní trubky a prst druhé ruky strčil do žárovkové patice, projel by tvým tělem veliký proud a vyzkoušel by sis popravu elektrickým proudem. Pokud nejsi příliš unaven životem, měl by ses tomu vyhnout. My radioamatéři máme mnoho příležitostí jak být kopnuti, popáleni, nebo zabiti vysokým napětím. Ale v praxi je evidentně více vážných neštěstí pádem ze střechy nebo stožárů. Musíme mnohem více myslet na bezpečnost než ostatní občané. Izolační transformátory jsou jeden ze způsobů jak můžeme snížit riziko neštěstí.

    V porovnání s kondenzátory jsou cívky relativně nedokonalé.

    V elektronice se kondenzátory používají mnohem více než cívky. Jeden z důvodů je, že cívky jsou mnohem dražší. Pro stroje je velmi těžké vinout drát na titěrná jádra, zvláště uzavřená, toroidní. Další problém s cívkami je, že na ně musí být použit nezanedbatelný kus drátu. Tento kus drátu má nevyhnutelně nějaký nezanedbatelný odpor. To znamená, že každá cívka jsou v podstatě dvě součástky: indukčnost a nechtěný rezistor. Naproti tomu kondenzátory, zvláště ty malé, mohou být velmi dokonalé. Kondenzátory v podstatě nemají odpor ani indukčnost a jejich vlastnosti jsou stálé v celém jejich pracovním rozsahu. Dalším omezením cívek jsou jejich jádra. Jak jsem poukázal dříve, vířivé proudy způsobují ztráty v jádře. Tyto ztráty se projevují ohříváním jádra, a vyzařují energii jako kdyby byl do série s cívkou zapojen další odpor.

    Saturace jádra

    Jak se zvyšuje proud protékající cívkou, magnetické pole "zaměstnává" další magnetická pole jednotlivých atomů železa, aby ve výsledku vzniklo pole mnohem silnější, než by mohla vytvořit samotná cívka. To však funguje pouze do okamžiku, než jsou "zaměstnány" všechny atomy. V tomto bodě se železné jádro "saturuje" (nasytí) a cívka se náhle vrátí do stavu, kdy generuje pole stejné, jako kdyby byla bez jádra. Z toho vyplývá, že cívky s jádrem mají omezený provozní rozsah.

    Miniaturní cívky vyrobené z extrémně jemného drátu navinutého na jádrech velikosti rozinky mají překvapivě velikou indukčnost. Problém je, že jsou prakticky okamžitě v saturaci a jejich indukčnost platí pouze při hodnotách proudu blízko nule. Je nutno říci, že takovéto součástky mají velmi omezenou použitelnost. Malé cívky s nízkou indukčností navinuté tlustým drátem a bez železného jádra jsou k dokonalosti o něco blíže. Avšak, jelikož jsou bez jádra, magnetické pole obklopuje celou cívku. Toto rozptylové pole indukuje proudy v okolních součástkách. A opět, pokud cívka budí nežádoucí signály v okolních obvodech, nemůže to být ideální součástka.

    Hystereze jádra

    Další problém železného jádra je jeho hystereze. Pokud přerušíme proud procházející cívkou, trocha magnetizmu v železe zůstane. Když potom chceme jádro zmagnetizovat v opačné polaritě, musíme vydat nejdříve energii na to, abychom jádro odmagnetovali na nulu předtím, než ho zmagnetujeme v nové polaritě. Opět se jedná o nemalý rozdíl od ideální součástky.

    Cívky na rádiových kmitočtech

    Cívky a transformátory jsou základem rádiových obvodů. Ve vysokofrekvenčních obvodech nemá střídavý proud kmitočet 60Hz, nebo tisíce Hz, ale miliony Hertzů. (Milion Hz = megahertz = MHz). Základní princip je naprosto stejný jak byl již vysvětlen výše, ale jsou zde rozdíly, které tě možná překvapí.

    Za prvé - obecně platí, že čím větší výkon musí cívka nebo transformátor zpracovat, tím musí být větší. Avšak velikost potřebné cívky je závislá také na kmitočtu. Na nízkém kmitočtu si můžeme transformátor přirovnat k velkému kbelíku, kterým dopravujeme vodu. Jelikož ho naplníme pouze 60krát za sekundu, musí být kbelík velký, abychom dopravili dostatečné množství vody. Teď si představ, že musíme stejné množství vody dopravit pomocí náprstku. Pokud ho naplníme a vylijeme milionkrát za sekundu, můžeme přepravit stejné množství vody, jako s kbelíkem. Čili na vysokých kmitočtech může být veliký výkon zpracován malými transformátory.

    Jádra z práškového železa

    Bohužel většina problémů s transformátory je ještě více zdůrazněna na vysokých kmitočtech. Již například nestačí dělat železné jádro s izolovaných ocelových plechů. Pro použití na vysokých kmitočtech musíme železo rozemlít na jemný prášek a zamíchat do keramiky. Existují dva druhy jader z práškového železa. Běžná železo prachová jádra, která mají vysoký podíl keramiky a relativně málo železa. To zajistí nízké ztráty v jádře a zamezí náhlé saturaci při proudových špičkách. Ferrity jsou složitější typy jader na principu železa, a vypadají spíše jako černé sklo. Obsahují mnohem více železa a méně keramiky. Přesto, že obsahují méně keramiky dokáží od sebe izolovat jednotlivá zrníčka železa. S ferrity je možné dosáhnout na vysokých kmitočtech tak vysokých indukčností, že by to jinak nebylo vůbec možné.

    Ferritová a železoprachová jádra se obvykle vyrábějí ve formě toroidních kroužků. Je to moderní způsob výroby cívek a transformátorů na rádiové kmitočty. Ferritová jádra na nízké kmitočty jsou často formována do tvaru "hrníčků", které dokonale uzavírají a tedy i stíní cívku na feritovém jádře. Tím je magnetické pole téměř dokonale odstíněno, takže nemůže ovlivňovat okolní obvody.

    Online výpočet cívky na toroidním jádře

    Sinusovka - "Čistý střídavý proud"

    Zdrojem střídavého proudu pro naši domácnost je obrovský alternátor v elektrárně. Alternátory jsou druhem střídavých generátorů, které mohou být chápány jako modifikované transformátory, ve kterých jedno z vinutí mechanicky rotuje, jelikož je poháněno nějakým motorem nebo jiným zdrojem mechanického výkonu. Alternátor produkuje čistou sinusovku jednoduše díky přirozenému rotačnímu pohybu hnací hřídele. Stator je statická - nepohyblivá část alternátoru. Je to železný rám, který obklopuje rotační hřídel a dvě cívky umístěné na protilehlých stranách. Tyto cívky jsou zapojeny do série, takže jejich okamžitá napětí se sčítají.

    11

    Rotor, který se otáčí je uprostřed. Jak je nakresleno na obrázku, je rotor jednoduchý tyčový magnet. Ve skutečnosti je rotor obvykle elektromagnet, ale já se snažím vysvětlit to jednoduše. Jak se jižní a severní pól magnetu pohybují podél cívek, vytvářejí na nich napětí opačné polarity. Čili, jestliže je záporné napětí na spodním konci, tak je kladné napětí na horním konci. Když se rotor dostane do opačné pozice, napětí se otočí. Sinusovka je tvořena tím, jak se mění úhel natočení magnetu vzhledem k statorovým cívkám. Vyjádřeno matematicky: výstupní napětí odpovídá sinu úhlu natočení plus devadesát stupňů.

    Napětí v daném okamžiku = (špičkové napětí) x Sin (Úhel + 90°)

    Díky offsetu 90 stupňů je výsledná křivka ve skutečnosti Cosinusovka, ale nikdo ji tak nenazývá.

    Pokud se na to podíváme trochu s nadhledem, může alternátor v podstatě připomínat střídavý transformátor, jak byl popsán výše. Ačkoli je mezi statorem a rotorem malá mezera, magnetické pole je uzavřeno v poměrně těsné smyčce. Rotor je analogií k primárnímu vinutí. Namísto energie přiváděné drátem vinutí, je energie přiváděna mechanicky. Pohybující se magnetické pole vytváří sinusovku tím, jak magnet prolétá podél statorových cívek.

    Alternátory v automobilech

    Většina alternátorů, stejně jako ten ve tvém autě, má poněkud složitější konstrukci. Mají tři sady statorových vinutí, nacpaných v jednom rámu. Tato tři vinutí generují tři nezávislé sinusovky. V autě jsou tyto tři výstupy usměrněny pomocí polovodičových diod na stejnosměrných 12 voltů. (Diody si popíšeme ve 4.kapitole). Stejnosměrný výstup (DC) je poté použit na nabíjení akumulátoru. Rotory alternátorů jsou téměř vždy vytvořeny pomocí elektromagnetu. Jsou napájeny přes sběrací kroužky, které přivádějí stejnosměrný (DC) proud z vnějšku do pohybujícího se rotoru. To, že použijeme jako rotor elektromagnet nám umožní regulovat výstupní napětí z generátoru tím, že můžeme měnit proud, který vytváří magnetické pole. To je způsob, jakým udržuje napěťový regulátor baterii ve tvém autě nabitou, ale nepřebíjí ji.

    Sinusové napětí z alternátoru má evidentně pouze jeden kmitočet, neboť hřídel se může otáčet pouze jedinou rychlostí. A díky přímému jednoduchému způsobu jakým je křivka vytvářena je sinusovka tak přirozená, jako je matematický vzorec, který ji popisuje. Naproti tomu moderní digitální elektronika často vytváří "umělou" sinusovku tím že postupně nastavuje napětí určená řadou čísel, která ji popisují. Výsledný produkt je složitá schodovitá křivka, která pouze připomíná sinusovku.

    Sinusovka na vysokých kmitočtech.

    Ve vysokofrekvenční technice jsou přirozené sinusové průběhy běžné ve všech obvodech. Například napětí na vysílacích nebo přijímacích anténách jsou sinusovky. Střídavé napětí na rádiových kmitočtech nazýváme vysokofrekvenčním napětím - VF napětím (anglicky RF voltage). Generujeme ho tranzistorovými oscilátory jako čistou sinusovku. Ale na rozdíl od výstupu z alternátoru je ve vysokofrekvenčních obvodech často mnoho sinusových signálů na různých kmitočtech, putujících po jednom a tom samém drátě. Třeba přijímací anténa přijímá všechny signály, které na ni dopadnou. Mnoho obvodů v rádiu má za úkol vybrat, nebo filtrovat jeden jediný sinusový signál z celého spektra.

    Zatím jsme si představili teorii nízkofrekvenční elektrotechniky. Vysokofrekvenční technika je to samé, ale jak jsme si ukázali, postupně jak se kmitočet zvyšuje, nabývají na důležitosti některé jiné stránky. V další kapitole si vybavíme domácí elektrotechnickou laboratoř a připravíme se na stavbu rádií.



       | Celý článek |      e-mailtisk clánku
     

    Zpět (klikni)

    O   Novinky
    24.11.2017:
    Update na webu DXFC
    Dneska jsem updatoval info na webu DXFC

    24.11.2017:
    Update fotoalba
    Do fotoalba jsem přidal fotky z letošní dovolené v Tureckém Oludeniz.

    23.09.2016:
    Finální výsledky RSGB IOTA Contestu 2016
    Pořadatel IOTA contestu zveřejnil výsledky letošního kola závodu.

    11.08.2016:
    Výsledky MMC HF 2016
    Pořadatel závodu Marconi Memorial Contest HF vydal konečné výsledky letošního (2016) kola závodu. K dispozici jsou rovněž přijaté deníky a statistiky.

    13.02.2016:
    Tesla HF CW Contest
    Pořadatel zveřejnil oficiální výsledky loňského ročníku Tesla HF CW Contestu (Tesla memorial HF)

    O   kalendář
    <<  Červen  >>
    PoÚtStČtSoNe
        1 2 3
    4 5 6 7 8 9 10
    11 12 13 14 15 16 17
    18 19 20 21 22 23 24
    25 26 27 28 29 30  

    O   Statistika
    Návštěvy od 18.5.2015


    Tento web site byl vytvořen prostřednictvím phpRS - redakčního systému napsaného v PHP jazyce.
    Na této stránce použité názvy programových produktů, firem apod. mohou být ochrannými známkami
    nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.