Rubrika: Elektrotechnika

Dynamo je točivý elektrický stroj, přeměňující mechanickou energii z rotoru hnacího stroje na elektrickou energii ve formě stejnosměrného elektrického proudu. Jedná se o stejnosměrný generátor elektrické energie.

Dynamo se skládá ze statoru tvořeného magnetem nebo elektromagnetem a rotoru s vinutím a komutátorem.

Až do nástupu polovodičových usměrňovačů bylo dynamo nejvýznamnějším zdrojem elektrické energie (ve formě stejnosměrného proudu) v průmyslu i dopravě. Dnes jsou dynama vytlačována spolehlivějšími a konstrukčně jednoduššími alternátory a zařízeními pro následné usměrnění vyrobeného střídavého proudu na proud stejnosměrný – viz (usměrňovač).

Podle způsobu zapojení statoru dělíme dynama na:

• dynamo s permanentním magnetem
• dynamo s cizím buzením – typicky v průmyslové výrobě elektrického proudu. Budící proud zajišťovalo jiné menší dynamo
• derivační dynamo (budící vinutí zapojeno paralelně se zátěží) – vhodné pro malé proudové odběry
• sériové dynamo (budící vinutí zapojeno sériově se zátěží)
• kompaudní dynamo – kombinace derivačního a sériového dynama. Jednalo se o běžný typ v dopravě a u strojů, kde je velmi proměnlivá zátěž. Sériové vinutí statoru zajišťuje dostatečné buzení při malé impedanci zátěže, derivační vinutí při velké impedanci.

U dynam, která nemají cizí buzení nebo permanentní magnet, může nastat problém s jejich rozjezdem. Dokud dynamo nevyrábí proud, není samo buzeno, a tudíž ani nemůže začít vyrábět proud. Při prvním rozjezdu je tedy třeba dodat rotujícímu dynamu malý proudový impuls, později se už lze obvykle spolehnout na remanentní (zbytkový) magnetismus statoru.

Elektromotor je elektrický točivý stroj, měnící elektrickou energii na mechanickou práci. Opačnou přeměnu, tedy změnu mechanické práce na elektrickou energii, provádí generátor např. dynamo, či alternátor. Často bývají tato zařízení velmi podobná či zcela identická (až na některé drobné konstrukční detaily).

Většina elektromotorů pracuje na elektromagnetickém principu, ale existují i motory založené na jiných elektromechanických jevech jako jsou elektrostatické síly, piezoelektrický efekt či tepelné účinky průchodu elektrického proudu. Základním principem, na němž jsou elektromagnetické motory založeny, je vzájemné silové působení elektromagnetických polí vytvářených elektrickými obvody, kterými protéká elektrický proud. Tuto sílu popisuje Lorentzův zákon síly.

V běžném rotačním motoru je umístěn rotor tak, aby magnetické pole vytvářené ve vodičích rotoru a magnetické pole statoru vyvíjely kroutící moment přenášený na rotor stroje. Tento kroutící moment pak způsobuje kýženou rotaci otáčivé části stroje – rotoru, motor se točí a vykonává mechanickou práci.

Většina běžných elektrických motorů je konstruována na rotačním principu, ale existují i netočivé varianty elektromotorů, například lineární elektromotor, kdy rotor stroje tvoří statický pás umístěný podél pojezdové dráhy stroje (rotor je jakoby rozvinut do délky a neotáčí se). Tento druh motorů se v technické praxi používá zejména pro některá speciální dopravní zařízení. V elektrickém točivém stroji se rotující část stroje nachází obvykle uvnitř, nazývá se podle své základní funkce rotor. Statická netočivá ( t.j. pevná ) část stroje se podle své funkce nazývá stator. Stejnosměrný elektromotor může obsahovat pevně spojenou sadu elektromagnetů umístěných obvykle na rotoru, u střídavých asynchronních elektromotorů (nejběžnější typ elektromotoru vůbec) mívá rotor jiné konstrukční uspořádání, obvykle se jedná o zvláštní elektrický obvod ve formě vodivé klece ve spojení nakrátko. Rám elektromotoru se zastarale nazývá kotva, jde však o nesprávné použití termínu. Jako „kotva“ má být označována ta část elektromotoru, která koná práci, nebo ta část elektrického generátoru, přes kterou se generuje výstupní napětí. Podle typu motoru může jako kotva sloužit rotor i stator. Termín je zastaralý a vlastně i dost zavádějící, neboť z obecného hlediska práci provádí vždy celý stroj jakožto celek, nikoliv jen jedna jeho část.

Motory na stejnosměrný proud

Jeden z prvních rotačních elektromotorů, možná i vůbec první, vynalezl Michael Faraday v roce 1821. Motor se skládal z volně zavěšeného drátu ponořeného do nádrže rtuti. Ve středu nádrže byl umístěn permanentní magnet. Elektrický proud procházel drátem, drát rotující kolem magnetu pak prokazoval, že proud vytvořil otáčivé magnetické pole kolem drátu.

Moderní motor na stejnosměrný proud byl náhodně objeven v roce 1873, když Zénobe Gramme vodivě spojil roztočené dynamo s druhým stojícím dynamem, z něhož se tím stal napájený motor.

Motor s permanentním magnetem

Nejjednodušší motor na stejnosměrný proud má stator tvořený permanentním magnetem a rotující kotvu ve formě elektromagnetu s dvěma póly. Rotační přepínač zvaný komutátor mění směr elektrického proudu a polaritu magnetického pole procházejícího kotvou dvakrát během každé otáčky. Tím zajistí, že síla působící na póly rotoru má stále stejný směr. V okamžiku přepnutí polarity udržuje běh tohoto motoru ve správném směru setrvačnost. (Principielně se tento motor trochu podobá střídavému synchronnímu motoru, kde rotační přepínání směru proudu a jím vytvářeného magnetického pole zajišťuje sama elektrorozvodná síť.)

Motory s permanentním magnetem se dodnes využívají například v modelářství. Jen kotva je obvykle minimálně třípólová, aby nevznikal problém s mrtvým úhlem motoru. Výhodou motoru s permanentním magnetem je možnost snadno měnit směr otáčení polaritou vstupního napětí.

Komutátor zajistí, že se v cívce změní směr proudu + a – (- a +) po každém pootočení o 180° (u dvoupólového motoru). Takto dochází ke změně směru indukčních siločar v cívce.

Funkce stejnosměrného motoru

Rotor (kotva) je přes oranžový komutátor připojen ke zdroji stejnosměrného napětí. Stator je tvořen dvěma velkými permanentními magnety.
Vzhledem k polaritě statoru a rotoru se souhlasné póly (barvy) odpuzují a rotor se otáčí.
Opačné póly se přitahují, rotor se stále otáčí. V okamžiku, kdy se rotor dostane do vodorovné polohy, dojde na komutátoru k přepnutí polarity magnetického pole rotoru.

Obecné vlastnosti stejnosměrných motorů

Rychlost motoru na stejnosměrný proud obecně závisí na velikosti napětí a proudu procházejících vinutím motoru a na zátěži neboli velikosti brzdného momentu. Rychlost motoru při daném brzdném momentu je úměrná napětí a točivý moment je úměrný proudu. Rychlost motoru lze regulovat změnou vstupního napětí.

Výhodou stejnosměrných motorů je relativní jednoduchost a univerzálnost využití. Sériový a derivační motor mohou fungovat nejen na stejnosměrný, ale i střídavý proud nízkých frekvencí. Jsou to tedy motory univerzální. Další výhodou proti motorům střídavým je možnost dosáhnout libovolných mechanicky dosažitelných otáček (motory na střídavý proud mají obvykle otáčky omezeny frekvencí sítě – 50Hz = 3000 ot/min). Proto tyto motory nacházejí uplatnění v takových strojích, jako jsou vrtačky, mixéry, ale třeba i automobily a dopravní zařízení s elektrickou trakcí (např. lokomotivy, trolejbusy, tramvaje či vozy metra).

Největší nevýhodou stejnosměrných motorů je existence komutátoru. Je to mechanický přepínač, který spíná velké proudy a je — kromě náchylnosti k poruchám — náročný na údržbu a seřízení, jedná se o mechanicky poměrně značně namáhané zařízení vyžadující pravidelnou údržbu či výměnu některých jeho součástí. Jiskření na kartáčcích (tvořených obvykle bloky čistého uhlíku) je zdrojem významného elektromagnetického rušení. S rozvojem levnější a spolehlivější silnoproudé elektroniky (tedy zejména výkonovými tyristory a tranzistory) jsou proto stejnosměrné motory postupně vytlačovány motory s rotujícím magnetickým polem buzeným elektronicky.

U sériových a derivačních motorů nelze změnit směr otáčení pouhým přepólováním napájecího napětí celého motoru – protože by došlo k přepólování statoru i rotoru, směr otáčení by zůstal zachován. Pro změnu směru je třeba přepólovat jen stator nebo jenom rotor.

Motory na střídavý proud

Synchronní

Synchronní motor je v principu obrácený generátor střídavého proudu. Rotor je tvořen magnetem nebo elektromagnetem, stator, na nějž je přiveden střídavý proud, vytváří pulzní nebo častěji rotující magnetické pole. Rotor se snaží udržet polohu souhlasící s tímto polem. Magnet umístěný v rotoru se snaží uchovat si svoji konstantní polohu vůči otáčivému magnetickému poli vyvářenému průchodem střídavého proudu ve statoru.

Synchronní motory mají řadu nevýhod – je třeba je roztočit na pracovní otáčky jiným strojem nebo pomocným asynchronním rozběhovým vinutím, pokud pod zátěží ztratí synchronizaci s rotujícím polem, skokově klesne jejich výkon a zastaví se. Proto jsou využívány jen ve speciálních případech (např. pohon gramofonu, kdy jsou nevýhody vyváženy požadavkem na pravidelnost otáček o celočíselném násobku frekvence elektrické sítě (za předpokladu, že frekvence napájecí sítě je skutečně konstantní). Ze synchronního motoru se vyvinul krokový motor a střídavý servomotor.

Asynchronní

Asynchronní motor má proti synchronnímu jinou konstrukci rotoru. Rotor se obvykle skládá ze sady vodivých tyčí, uspořádaných do tvaru válcové klece. Tyče jsou na koncích vodivě spojeny a rotor se pak nazývá „kotva nakrátko“. U stojícího motoru rotující magnetické pole statoru indukuje v tyčích rotoru elektrické proudy, které vytváří své vlastní elektromagnetické pole. Obě magnetická pole (rotoru a statoru) pak spolu navzájem reagují a vzniká tak elektromotorická síla. Otáčky rotoru vzrůstají. Tím, jak se přibližují otáčky rotoru otáčkám magnetického pole, klesají indukované proudy a intenzita jimi vytvářeného pole, klesají tím i otáčky rotoru a tím i točivý moment motoru. Pokud je motor alespoň minimálně zatížen, nikdy nedosáhne otáček daných frekvencí napájecího proudu ( není s ní nikdy synchronní – proto se nazývá asynchronní motor).

Tento druh motoru je v praxi nejběžnější, využívá v mnoha oblastech průmyslu, dopravy i v domácnostech. Jeho výkon se pohybuje od stovek wattů až do mnoha set kilowattů. S rozvojem levných a výkonných elektronických řídicích systémů nahrazuje postupně tento druh motoru sériový elektromotor, užívaný zejména v pohonech určených pro elektrickou trakci ( kolejová vozidla a trolejbusy ). Asynchronními elektromotory jsou vybaveny i moderní rychlovlaky známé z našich železničních tratí pod názvem Pendolino.

Část elektrických strojů a zařízení složená ze závitů izolovaného vodiče, v nichž protékají elektrické proudy a jejichž vazba s ostatními částmi stroje způsobuje, že stroj vyrábí nebo přeměňuje elektrickou energii nebo koná mechanikou práci. Podle tvaru a způsobu provedení se rozeznává: a) vinutí transformátoru, podstatná část transformátoru složená ze závitů izolovaných vodičů. Podle uspořádání na jádrech transformátoru se rozeznávají vinutí souosá (vinutí nižšího i vyššího napětí jsou umístěna na jádře soustředně, přičemž vinutí vyššího napětí bývá vně z důvodu větší izolační vzdálenosti a může být rozděleno na několik cívek) a vinutí vystřídaná (každé vinutí je rozděleno na segmenty tvaru kotoučů, které se střídají). Vnějšími cívkami umístěnými v blízkostí spojek magnetického obvodu jsou cívky nižšího napětí (dají se snáze odizolovat). Oba popsané druhy vinutí transformátoru mohou být použity jak při jádrové, tak i plášťové konstrukci magnetického obvodu transformátoru. Typickým řešením u jádrových transformátorů jsou však vinutf souosá, u plášťových vystřídaná. K výrobě v. transformátorů se nejčastěji používají měděné vodiče, v poslední době však také hliníkové; b) u elektrických točivých strojů vinutí jednovrstvové, šablonové, tyčové, košíkové (u turbogenerátorů), válcové (evolventní). Podle funkce se rozeznává vinutí budící, které vytváří magnetický tok, a vinutí pracovní, které odevzdává elektrickou energii nebo vzbuzuje schopnost mechanické práce. U přesných rezistorů pro měřicí účely se používá vinutí bifilární (s malou indukčností) nebo vinutí Chaperonovo (s malou kapacitou i indukčností).

Reostat je regulovatelný rezistor, realizovaný nejčastěji jako sada rezistorů s mnohapólovým přepínačem. Jiným provedením reostatu je drátový odporník, navinutý na izolačním tělese s posuvným jezdcem. Je obvykle určen k regulaci větších výkonů. Dnes se s ním setkáme jen u historických strojů, protože byl z praktického nasazení téměř všude vytlačen polovodičovými prvky. Základní nevýhodou reostatů je velký mařený výkon.

Typickým místem nasazení reostatu byla regulace budících i napájecích proudů elektromotorů. Reostat byl ovládán například klikou u starých tramvají.

Pro regulaci malých (do řádu miliwattů) výkonů slouží potenciometr.

Potenciometr je elektrotechnická součástka, která slouží jako regulovatelný odporový napěťový dělič. Používá se k přímému řízení elektronických zařízení (například audio a video technika), někdy též jako snímač.

Nejjednodušší potenciometr se skládá z odporové dráhy, po níž se posouvá jezdec. Pokud je tento jezdec na otáčivé ose, mluvíme o otočném potenciometru, pokud je jezdec posuvný lineárně, mluvíme o tahovém potenciometru.

Odporová vrstva je obvykle realizována vrstvou uhlíku, ale používají se i potenciometry s kovovou vrstvou, kovovou spirálou nebo vodivým plastem. Jezdec bývá tvořen jedním nebo více kovovými perky, výliskem z elektrografitu, vodivého plastu apod.

Podle oblasti upotřebení může mít odporová dráha různé provedení. Existují lineární potenciometry, u nichž má odporová dráha po celé délce lineární přírůstek odporu. Pokud je potenciometr používán pro regulaci zvuku, má odpor dráhy logaritmický průběh, aby byla regulace přizpůsobena subjektivní citlivosti sluchu. Těmto potenciometrům se říká logaritmické potenciometry. Vyrábějí se i další průběhy drah pro různé charakteristiky ovládání, např. exponenciální, semilogaritmické[zdroj?], s potlačenou částí dráhy (kolem středu nebo počátků) apod. Pro některé účely bývají vyvedeny kromě konců odporové dráhy i některé její další body, např. střed (potenciometry pro některé ekvalizéry), různé úseky (čtvrtina, třetina apod.) pro fyziologickou regulaci hlasitosti aj.

Ve stereofonní technice, kde jsou regulovány naráz oba kanály zároveň, se používají tandemové potenciometry. Jedná se o dva stejné potenciometry se společným ovládáním. Pro vícekanálové zařízení a hlavně speciální účely se vyrábějí i s více než dvěma drahami ovládanými zároveň.

Pro různé účely se vyrábějí dvojité potenciometry. Terminologie není u všech výrobců stejná, bylo by lépe tuto skupinu označit jako sdružené. Mají více odporových drah, ovládaných např. 2 nebo 3 koncentricky umístěnými hřídeli, nebo jedním hřídelem s možností ovládání drah jednotlivě (popř. po skupinách) při povytažení hřídele nebo zatlačení. Toho se používalo u miniaturizované audiotechniky, zvláště u autorádií, kde jedním potenciometrem se 2 soustřednými hřídelemi bylo možné ovládat např. 4 funkce.

Potenciometr může být vybaven i spínačem nebo přepínačem – u otočných vybaveno v krajní poloze nebo ovládáno tahem či tlakem na hřídel – velmi oblíbené u radiopřijímačů v 40-70 letech minulého století), nebo tlačítkem. U tahových se pro zvláštní účely podobné spínače taky vyskytují, např. v jedné krajní poloze (tzv. funkce „on fader start“), nebo v prostřední poloze (indikace polohy – při nule uprostřed). Tyto spínače mohou být tvořeny segmentem odporové dráhy a jezdcem, nebo montáží mikrospínačů či optických závor.

Pro účely snímání polohy a úhlu (např. v automatizační technice) se vyrábějí potenciometry a potenciometrické snímače v provedeních, přizpůsobených daným účelům. Mívají jakostnější ložiska hřídelů, často podstatně vyšší životnost, odolnost proti opotřebení, nepříznivému prostředí (prach, vlhko, střídání teplot, chemické vlivy apod.) a konstrukční spolehlivost. Pro některé účely mohou být vybaveny několika odporovými drahami a jezdci, aby byla vyloučena chyba při poruše jedné části, nebo aby byla definována jednoznačně poloha hřídele.

Od funkčně podobného odporového trimru se potenciometr liší tím, že je určen k častému ovládání uživateli a jeho ovládání je vyvedeno ven. Trimr je obvykle určen k nastavení parametrů, které uživatel nemění, proto je jej možno nastavit pouze po rozebrání přístroje.

Tento článek potřebuje doplnit či upravit bibliografii, tj. literární citace (reference). Můžete Wikipedii pomoci tím, že na konec článku přidáte (resp. upravíte) sekci „Literatura“, kde uvedete knihy, ze kterých lze o daném tématu čerpat více informací. Ideální formát údajů naleznete v článku Citace, návod pak na příslušné dokumentační stránce k šabloně užívané pro citace. Přidávejte knihy s rozmyslem – jak do kvantity (aby bibliografie nebyla nepřiměřeně dlouhá), tak do kvality (přidávejte jen knihy, které dané téma skutečně postihují).

Operační zesilovač (zkratka OZ) je elektronický obvod fungující jako diferenciální napěťový zesilovač s vysokým ziskem a stejnosměrnou vnitřní vazbou. Má invertující (označovaný -) a neinvertující (označovaný +) vstup a obvykle jednoduchý výstup. Některé speciální operační zesilovače ale bývají vybaveny diferenciálním výstupem.

Vzhledem k vysokému zisku jsou obvody konstruované s operačními zesilovači většinou vybavené zápornou zpětnou vazbou, která téměř výhradně určuje jejich chování. S operačním zesilovačem pak pro zjednodušení výpočtů pracujeme jako s ideálním operačním zesilovačem.

Historie

Operační zesilovače byly původně vyvinuty pro realizaci matematických operací (odtud jejich název) v éře analogových počítačů. Nicméně ukázalo se, že tyto obvody mají daleko širší uplatnění. První operační zesilovače byly konstruované z elektronek a později se přešlo na diskrétní polovodičové součástky. Dnešní operační zesilovače jsou téměř výhradně konstruované jako integrované obvody, přičemž často jeden takový obvod sdružuje několik OZ.

První integrované operační zesilovače pocházejí z konce 60. let. Vůbec první byl obvod Fairchild μA709, ale ten byl brzy vytlačen obvodem μA741, který je naprostou klasikou ve světě operačních zesilovačů a vyrábí ho mnoho firem v mnoha provedeních dodnes. Oba dva uvedené a řada dalších OZ jsou konstruovány pouze z bipolárních tranzistorů.

Teprve v 70. letech se začaly v OZ používat unipolární tranzistory FET a v 80. letech tranzistory MOSFET. Tyto součástky výrazně zlepšují parametry OZ, takže se téměř blíží ideálnímu OZ. Konstrukce mnohých OZ vybavených unipolárními tranzistory ovšem stále vychází z klasického obvodu 741, u něhož je pouze několik bipolárních tranzistorů zaměněno za unipolární.

Ideální operační zesilovač má následující vlastnosti:

• nekonečné zesílení
• nekonečná vstupní impedance
• nulová výstupní impedance
• nekonečnou šířku pásma (zesiluje od nulové do nekonečné frekvence)
• nekonečný vstupní odpor obou vstupů
• nulový výstupní odpor
• nulový šum
• nulové offsetové napětí (jsou-li napětí na vstupech shodná, je na výstupu skutečně přesně nulové napětí)
• fázový posun vstupní ku výstupnímu je 0 nebo π
• žádný z parametrů nezávisí na teplotě

Zapojení s OZ

Tento článek popisuje základní zapojení s operačními zesilovači, nejčastěji používají v různých elektronických obvodech.

Zde uváděné vztahy pro výpočty týkající se těchto zapojení předpokládají, že se pracuje s ideálním operačním zesilovačem. V běžných situacích to stačí, ale pokud vlastnosti zpracovávaného signálu dosahují hraničních hodnot použitého operačního zesilovače, je třeba sáhnout po složitějších vztazích platných pro reálné operační zesilovače.

V běžných obvodech se hodnoty odporu rezistorů pohybují mezi jednotkami kiloohmů až jednotkami megaohmů. Hodnoty odporů pod tímto rozsahem znamenají vyšší proudové zatížení a zbytečný ztrátový výkon. S honotami nad tímto rozsahem je zase spojen vyšší šum a náchylnost obvodů na rušení.

Invertující zesilovač

Invertující zesilovač je jedno z nejpoužívanějších zapojení. Na výstupu se objeví vstupní napětí vynásobené zápornou konstantou (tedy zinvertované). Velikost zesílení je daná poměrem odporů R2 a R1.

(protože zesilovač se vždy snaží mezi vstupy udržet nulové napětí, tedy na vstupu je tzv. plovoucí zem)

Neinvertující zesilovač

Neinvertující zesilovač zesiluje (násobí konstantou vždy větší než 1) vstupní napětí. Oproti Invertujícímu zesilovači, který má vstupní impedanci danou velikostí odporu R1, se u tohoto zapojení vstupní impedance blíží nekonečnu a nezávisí na hodnotách odporů R1 a R2.

(reálně odpovídá vstupní impedanci samotného operačního zesilovače, která je ovšem typicky velmi vysoká 1 MΩ až 10 TΩ)

Sledovač napětí

Sledovač napětí Impedančně přizpůsobíme velkou impedanci k malý,ma na výstupu napětí rovné vstupnímu. Vstup má ovšem, podobně jako u neinvertujícího zesilovače, impedanci blížící se nekonečnu. Výstupní impedance je daná vlastnostmi použitého operačního zesilovače a je velmi nízká.

Sledovač se používá právě pro oddělení vysokoimpedančního vstupu a nízkoimpedančního výstupu.

(reálně odpovídá vstupní impedanci samotného operačního zesilovače, která je ovšem typicky velmi vysoká 1 MΩ až 10 TΩ)

Komparátor

Komparátor porovnává napětí přivedená na vstupy + a -. Pokud je vyšší napětí na vstupu +, je na výstupu kladné saturační napětí operačního zesilovače, je li vyšší napětí na vstupu -, je na výstupu záporné saturační napětí operačního zesilovače. U normálních operačních zesilovačů je saturační napětí výstupu řádově o jeden nebo několik voltů nižší než napětí napájecí. Speciální tzv. rail-to-rail operační zesilovače jsou ovšem konstruovány tak, aby výstupní napětí mohlo dosahovat téměř hodnot napětí napájecího.

Reproduktory jsou elektro-akustické měniče, tj. zařízení (elektrické stroje), které přeměňují elektrickou energii na mechanickou energii ve formě zvuku . Obvykle se skládají z membrány, vyrobené z plastu nebo papíru, a z elektromagnetu, do něhož je přiváděn vstupní signál. Zvláštním případem malých reproduktorů jsou sluchátka. Kromě principu elektromagnetu se v některých případech používá k rozkmitání membrány i piezoelektrický jev.

Dělení reproduktorů dle pohonu

Přímovyzařující (mají účinnost asi 1%-2%)

§  Elektromagnetické

§  Elektrodynamické

§  Kondenzátorové

§  Piezoelektrické

§  Elektrostatické

§  Plazmové

Nepřímovyzařující – tlakové (účinnost asi 10%-15%)

§  Elektrodynamické

§  Piezoelektrické

Přímovyzařující – elektromagnetické

Dnes již prakticky historický typ označovaný jako „elektromagnetický“ je v podstatě modifikací principu sluchátka. Základem těchto reproduktorů je cívka a permanentní magnet nebo elektromagnet. Cívka do které je přiváděn signál je pevná, vysokoimpedanční, membrána je spojena s kmitací kotvičkou. Magnet mívá zpravidla tvar písmene U

Přímovyzařující – elektrodynamické

Základem těchto reproduktorů je opět cívka a permanentní magnet, nebo elektromagnet. Dnes převažující systémy mají lehkou nízkoimpedanční cívku navinutou přímo na krčku membrány. Cívka se pohybuje ve válcovém mezikruží magnetického nástavce. Magnetické pole je permamentní nebo buzené (elektromagnet).

Přímovyzařující – piezoelektrické

Vyrábí se z nich většinou výškové reproduktory z důvodu malé výchylky membrány. Tento pohonný systém se používá i u přímovyzařujících rep. (=> důvodem je nízká cena) Jejich zásadní nevýhodou je poměrně nerovnoměrná frekvenční charakteristika a větší zkreslení. Výhodou je vysoká účinnost a zatížitelnost.

Koš reproduktoru

Je základní nosnou konstrukcí reproduktoru. Slouží pro připevnění reproduktoru do skříňky a zároveň nese elektromagnetický obvod, pružné závěsy membrány a připojovací terminál. U výškových reproduktorů bývá bez otvorů u středotónových a hlubokotónových musí být opatřen co největšími otvory aby uzavřený vzduch pod membránou negativně nezvyšoval tuhost zavěšení membrány a nezhoršoval tak akustické vlastnosti zařízení. Konstrukce koše musí být co nejpevnější a zároveň musí mít anti-rezonanční vlastnosti. U levných reproduktorů se používají koše vylisované z plechu, střední cenová kategorie používá polyamid (ohraničení otvorů má aerodynamický tvar pro co nejlepší proudění vzduchu). Nejdokonalejší a nejdražší reproduktory mají koš ze silnostěnného odlitku slitin hliníku => hliník totiž špatně přenáší vibrace.

Elektromagnet (kmitací cívka, dynamický systém)

Je to základní součást pohonu reproduktoru. Magnetické pole v kruhové vzduchové mezeře je vybuzováno permanentními magnety položenými buď ve vnějším plášti magnetického obvodu nebo tvoří podstatnou součást středového sloupku magnetického obvodu.

Dělení reproduktorů dle kmitočtového rozsahu

Z hlediska frekvenčního rozsahu se vyrábějí reproduktory pro různá frekvenční pásma. Z těchto reproduktorů se sestavují reprosoustavy, také zvané „reprobedny“. Obvykle se reproduktory umisťují do dřevěných skříní, materiál ale není rozhodující, rozhodující je maximální tuhost ozvučnice a její vhodné rozměry. Reprosoustavy jsou osazeny reproduktory, obsahují tlumící materiál, připojovací svorky a kabeláž. Důležitou součástí vícepásmových reprobeden jsou „výhybky“ t.j. elektronické filtry – dolní, pásmové a horní propusti. Celek je nastaven tak, aby pokryl pokud možno maximálně vyrovnaně celé akustické pásmo. Nejjednodušší konstrukce reprobeden mívají ozvučnici vzduchotěsně uzavřenou, složitější konstrukce pak používají různé formy akustických obvodů určených k úpravě přenosové charakteristiky. Nejznámějším a konstrukčně nejjednodušším typem jednoduchého akustického obvodu je bassreflex. Ten bývá velmi často používán při konstrukci reprosoustav určených pro reprodukci nízkých kmitočtů v tzv. subwooferech kupř. v reprosoustavách pro domácí kino. Dalším často využívaným typem akustického obvodu je tzv. bandpass, který umožňuje nastavit citlivost a frekvenční pásmo basového reproduktoru, dále se zejména v profesionálních reproboxech hojně využívá principu „horn“ – slangově „šnek“, což je typ tlakové ozvučnice, která pracuje na principu transformace akustické impedance, umožňující dosáhnout velmi vysoké citlivosti v určitém frekvenčním pásmu.

Širokopásmové

Jsou to univerzální reproduktory určené obvykle pro nenáročné použití např. v dopravní prostředcích.

Jejich maximální kmitočtový rozsah je od 45 – 15 000 Hz, běžně se ale setkáme s širokopásmovými reproduktory s kmitočtovým rozsahem 55 – 13 500 Hz, je ale možné vyrobit speciální reproduktory, které dokážou pokrýt celé akustické pásmo 20 Hz až 20 tisíc Hz.

Hlubokotónové (basové) reproduktory

Rozsah:

             20 – 1 500 Hz (nízkorezonanční o velkém průměru)

             35 – 5 000 Hz (běžný basový nebo tzv. středobasový))

Základní předpoklad je velký zdvih membrány a malá tuhost zavěšení a nízká vlastní rezonance reproduktoru. Výchylky membrány dosahují až 30 mm! Horní zavěs membrány bývá zhotoven z gumy, někdy s textilní výztuží. Membrány jsou většinou papírové, někdy (z důvodu tuhosti) kovové nebo sendvičové. Koše reproduktorů se vyrábějí z plechu, nebo z hliníkových slitin.

Průměry reproduktorů bývají 150 – 600 mm kruhového tvaru

Středopásmové reproduktory

Rozsah 80 – 12 000 Hz

Materiál membrán je papírovina, kevlar, polypropylen, sendvič. U kvalitních středotónových reproduktorů je kladen důraz hlavně na nízké zkreslení, protože je lidský sluch v této oblasti nejcitlivější.

Průměry reproduktorů bývají v rozmezí 100 – 180 mm, reproduktory mohou mít i oválné tvary

Vysokotónové (výškové) reproduktory

Rozsah 2 000 – 30 000 Hz

Membrána již nemá zpravidla z důvodu požadavku co nejširšího vyzařování tvar kužele, ale kulového vrchlíku – KALOTY. Průměr membrány je většinou do 30 mm. Materiály membrán jsou textilní úplety (hedvábné), sendvičové konstrukce (na textilní základ se napařuje vrstva kovu), kovové (titan, dural).

Vyrábějí se i páskové reproduktory, kde není zvuková vlna vyzařována pomocí kaloty, ale kmitajícího kovového pásku.

Podle způsobu vyzařování dělíme vysokotónové reproduktory na přímovyzařující a nepřímovyzařující – tlakové. Tlakové reproduktory jsou opatřeny zvukovodem a vyznačují se hlavně vysokou citlivostí, ale také vyšším zkreslením. Proto se používají hlavně v profesionálních soustavách určených pro hudební produkce (PA systémy).

Kvalita reproduktorů a jejich použití

Kvalitu a použití reproduktoru určují následující vlastnosti:

Impedance – odpor a induktance, které jsou pro cívku potřebné pro vytvoření magnetického pole při průchodu střídavého proudu o dané frekvenci (kmitočtu), běžná hodnota je několik jednotek až několik desítek ohmů. Impedance se vždy mění s kmitočtem. Obecně platí, že stoupá se vzrůstajícím kmitočtem. Běžné hodnoty jmenovité impedance se pohybují v hodnotách 3,4,6 nebo 8 Ohmů, reproduktory do kytarových reproboxů mohou mít impedanci 16 Ohmů z důvodu snadnějšího dosažení potřebné výsledné impedance.

Frekvenční rozsah – je dán frekvenční charakteristikou, která definuje závislost zvukového výkonu (akustického tlaku) na frekvenci zvuku. Obvykle reproduktor přenáší jen určitou část zvukového pásma.

Výkon – určuje, jak velký elektrický příkon je reproduktor schopen bez zkreslení přeměnit v akustický výkon, obvykle se pohybuje v jednotkách až stovkách wattů, vyšší je u basových a středobasových reproduktorů, nižší pak u reproduktorů středotónových a vysokotónových. Vzhledem k poměrně nízké účinnosti zařízení je vyzářený akustický výkon poměrně malý i při vysokém příkonu.

Charakteristická citlivost – určuje vyzářený akustický výkon (hladinu akustického tlaku) při daném příkonu – obvykle při příkonu 1 Wattu měřené ve vzdálenosti 1 metru kolmo na středové ose reproduktoru, a to při přesně definované frekvenci, kupř. při frekvenci 1000 Hz

Směrová charakteristika – používá se „vyzařovací diagram“, který určuje závislost akustického výkonu na směru vyzařování. Směrová charakteristika je proměřována pro horizontální i vertikální poslechovou rovinu.

Rezonanční kmitočet – parametr důležitý zejména u basového reproduktoru. Pod tímto kmitočtem již vyzářený výkon reproduktoru strmě klesá. Pohybuje se u basových reproduktorů v obvykle v rozmezí 20 – 50Hz. Tento parametr vyjadřuje pracovní frekvenci, při které reproduktor dosahuje maximálního akustického tlaku – jedná se tedy o vrchol výkonové křivky reproduktoru v závislosti na vyzařované frekvenci

Kvalita materiálu, zkušenosti elektroakustických inženýrů, pečlivost a zručnost výrobců, tradice výroby a dobrý sluch návrhářů

Mikrofon je zařízení pro přeměnu akustického signálu na signál elektrický. První mikrofon vynalezl tvůrce gramofonu Emil Berliner 4. března 1877.

Principy mikrofonů

Kondenzátorový mikrofon pracuje tak, že akustické kmity rozechvívají membránu, která je jednou z desek kondenzátoru, připojeného do elektrického obvodu. V rytmu změny polohy desky se mění kapacita kondenzátoru a tím i napětí mezi deskami. Kondenzátorové mikrofony vyžadují napájení. Jsou pokládány za nejkvalitnější a používají se zpravidla pro profesionální záznam.

Elektretový mikrofon je typem kondenzátorového mikrofonu, u něhož je elektrické pole, nezbytné pro funkci, vytvářeno elektretem, tedy nevodivou hmotou, která je permanentně elektricky nabitá (srovnej s „(permanentní) magnet“). V rytmu pohybu membrány se opět mění kapacita kondenzátoru a tím i napětí mezi deskami. Změny napětí musejí být co nejdříve zpracovávány předzesilovačem (zpr. s tranzistory FET), který je proto součástí mikrofonu. Elektretové mikrofony vyžadují napájení pro vestavěný předzesilovač. Jsou kvalitní a levné. Jsou používány především v nenáročných aplikacích – u počítačů, v telefonech.

Dynamický mikrofon: membrána pohybuje cívkou v magnetickém poli, vytvořeném permanentním magnetem, čímž je vytvářen elektrický proud (viz Zákon elektromagnetické indukce). Dynamické mikrofony jsou méně citlivé než kondenzátorové mikrofony, lépe proto zpracují například hlasitý zpěv při živých vystoupeních, ozvučení veřejných shromáždění apod. Bývají poměrně odolné proti mechanickému poškození. Nevyžadují napájení.

Zvláštním případem dynamického mikrofonu je mikrofon páskový. Membránou je kovový pásek umístěný v magnetickém poli. Vzhledem k jeho mechanické konstrukci je náchylný k mechanickému poškození a je proto používán výhradně ve studiových podmínkách.

Uhlíkový mikrofon byl prvním prakticky použitelným mikrofonem, hojně se využíval do 30. – 40. let 20. století, v telefonech až do 80. let 20. století. Membrána stlačuje uhlíková zrnka, čímž mění jejich odpor. Mikrofon umožňuje přímo modulovat procházející signál, čehož se využívalo na počátku 20. století, kdy ještě nebyly k dispozici zesilovací prvky. V začátcích rozhlasového vysílání uhlíkovými mikrofony přímo procházel signál vysílače s vysokým výkonem, mikrofony proto vyžadovaly chlazení. Uhlíkové mikrofony jsou velmi nekvalitní, při nežádoucím pohybu vydávají intenzivní chrastivé zvuky a proto byly umísťovány do těžkých pouzder upevněných do soustavy pružin.

Piezoelektrický mikrofon se používal převážně v 50. letech 20. století. Pracuje na principu piezoelektrického jevu: stlačováním některých materiálů (solí některých minerálů) vzniká elektrický proud. Tyto mikrofony však nikdy nebyly příliš kvalitní. Používaly se převážně v systémech veřejného ozvučení a i tam se od jejich užívání záhy upustilo s nástupem dynamického mikrofonu. Piezoelektrického jevu se však dlouhou dobu využívalo v zařízení podobnému mikrofonu – gramofonové přenosce.

Charakteristiky mikrofonů

Směrové charakteristiky

V závislosti na velikosti a konstrukci pouzdra mikrofonu může tento přijímat zvuk z různých směrů v různé intenzitě. Konstruktéři mikrofony záměrně navrhují s různými charakteristikami v závislosti na předpokládaném použití. Směrová charakteristika je frekvenčně závislá – projevuje se zpravidla u vysokých tónů, zatímco hluboké zůstávají nepoznamenány.

Všesměrová neboli omnidirekcionální neboli kulová charakteristika je taková, při které mikrofon přijímá zvuk stejně kvalitně ze všech stran. Je dosahována nejjednodušeji a je typická pro levné elektretové mikrofony, velké jen několik milimetrů.

Kardioidní neboli ledvinová charakteristika potlačuje příjem zvuku „zezadu“ mikrofonu. Diagram připomíná Němcům a Čechům tvar ledviny (německé označení je Niere), Anglosasům srdce. Jde o typickou charakteristiku dynamických mikrofonů pro zpěváky, neboť potlačuje zpětnou vazbu.

Hyperkardioidní (nikoliv hyperledvinová) charakteristika je více směrová než charakteristika kardioidní.

Osmičková neboli bidirekcionální charakteristika je taková, při které mikrofon přijímá zvuk pouze zepředu a zezadu, nikoliv však ze stran. Používá se především při některých metodách snímání stereofonního zvuku. Mikrofony s touto charakteristikou jsou zpravidla velmi drahé.

Úzce směrová charakteristika má výrazně oslaben příjem zvuku zezadu, čehož bývá z fyzikálních důvodů dosaženo za cenu délky mikrofonu až 1 metr. Používá se pro speciální aplikace (příjem pomocného zvuku při filmování). Úzce směrová charakteristika mikrofonu je dosahována za cenu zřetelného zhoršení frekvenční charakteristiky.

Frekvenční charakteristiky

Fyzikálním ideálem by byl mikrofon, který by akustický podnět přeměnil vždy na odpovídající elektrický signál bez ohledu na jeho frekvenci. Tak tomu však není a nejen proto, že by takový mikrofon byl mj. současně i barometrem. Dosažení vyrovnané charakteristiky alespoň ve slyšitelné oblasti vyžaduje nákladná opatření, velmi malé rozměry mikrofonu. Z nedostatku se však časem stala ctnost a frekvenční nevyrovnanosti jednotlivých výrobků začaly být využívány tak, aby pomohly vyzdvihnout či potlačit některé charakteristické zvukové odstíny snímaných objektů. Např. všechny mikrofony kromě kulových pracují jako převodníky gradientu tlaku, s přibližováním ke zdroji signálu zesilují hluboké kmitočty – tzv. proximity efekt. Toho využívají někteří zpěváci k dosažení teplé barvy hlasu v některých pasážích zpěvu přibližováním a oddalováním mikrofonu.

Napájení

Jak již bylo uvedeno, některé typy mikrofonů vyžadují napájení. Existuje několik standardů, které jsou obecně podporovány výrobci zařízení, do kterých se mikrofony připojují (mixážní pult, videokamera, počítač atd. – dále „spotřebič“), takže při správné kombinaci mikrofonu a zařízení není potřeba k mikrofonu připojovat zvláštní napáječ, neboť zařízení samo funguje jako zdroj elektřiny.

Tonaderspeisung (v češtině se nejčastěji používá německý název; označení jako AB napájení, T-power nebo paralelní napájení se příliš neuchytila) pokryto normou DIN 45595 – napájení 12 V je vedeno přímo (přes shodné odpory na obou pólech) symetrickým vedením. Mikrofon vytvoří střídavé napětí a to se vrací do spotřebiče, kde je stejnosměrné napájecí napětí filtrováno.

Fantomové napájení (angl. Phantom Supply/Powering) norma Audio Engineering Society, DIN 45596 – mikrofon je spojen symetrickým vedením se spotřebičem pomocí konektoru XLR-3 (tzv. „Cannon“ podle známého japonského výrobce). Mezi vývody 1,2 resp. mezi vývody 1,3 lze naměřit napětí 9, 12, 24, 48 (nejčastěji), 52 V. Mezi vývody 2,3 nelze naměřit nic. Signál se z mikrofonu vrací do spotřebiče právě po vodičích 2,3. Pokud je připojen mikrofon, který napájení nepotřebuje (např. dynamický), neděje se nic.

Podle standardu PC99 je mikrofon připojený nesymetricky k počítači stereofonním 3,5mm (1/8″) konektorem „jack“, přičemž na spodní části konektoru (sleeve) je zem, na kroužku (ring) je napájení +5 V pro mikrofonní předzesilovač, na špičce (tip) je signál z mikrofonu.

Paměť EPROM o kapacitě 256 x 8 bitů ze 70. let 20. století

Integrovaný obvod (IO) je moderní elektronická součástka. Jedná se o spojení (integraci) mnoha jednoduchých elektrických součástek, které společně tvoří elektrický obvod vykonávající nějakou složitější funkci. Integrované obvody dělíme na monolitické a hybridní. V Československu se mezi profesionály i amatéry vžil zajímavý termín pro integrovaný obvod a to slovo je „šváb“.

Monolitické IO dnes jasně převažují. Jejich jednotlivé součástky jsou vytvořeny a vzájemně spojeny (s pomocí difuze a epitaxe) na jediné polovodičové, nejčastěji křemíkové, destičce.

Na obrázku je křemíková destička paměti EPROM o kapacitě 256 x 8 bitů ze 70. let, kterou bylo možno mazat ultrafialovým zářením (proto měla paměť průhledné okénko). Matice paměťových buněk jsou dvě obdélníkové pravidelně mřížované části v horní polovině destičky. Celkově byl tento obvod složen z necelých 5000 součástek (tranzistorů).

Křemíková destička z paměti na minulém obrázku

Pro srovnání procesor Intel Pentium 4 se skládá z cca 42 milionů tranzistorů a nejtenčí spoje na destičce jsou široké 0,18 μm (lidský vlas má průměr cca 100 μm).

Hybridní IO se skládají z několika součástek (zpravidla některé z nich bývají monolitické IO), které jsou přilepeny a pospojovány na malé destičce (zpravidla keramické).

Historie

První integrovaný obvod zkonstruoval Jack St. Clair Kilby z firmy Texas Instruments již v roce 1958. Obvod byl na destičce z germánia o velikosti 11 × 1,6 mm a obsahoval jediný tranzistor s pouze několika pasivními součástkami. Svůj vynález si nechal v roce 1964 patentovat pod číslem 3 138 743. V roce 1966 sestrojil také první kapesní kalkulačku založenou na integrovaném obvodu umějícím sčítat, odčítat, násobit a dělit. V roce 2000 získal Nobelovu cenu za fyziku.

Monolitické obvody

Základem pro výrobu moderních monolitických IO je monokrystal z velmi čistého polovodiče. Monokrystal musí být velmi dokonalý, pokud možno prostý jakýchkoliv poruch v krystalové mřížce. Materiál pro jeho výrobu musí být předem velmi dokonale vyčištěn. Čištění materiálu a tažení takového monokrystalu se provádí za vysokých teplot v ochranné atmosféře, a je proto energeticky, ale i časově velmi náročné. Náročnost procesu je tím větší, čím větší průměr má výsledný monokrystal mít.

Hotový monokrystal, který má válcový či doutníkovitý tvar, se nařeže na velmi tenké plátky (anglicky chips, z toho české čipy). Jejich tloušťka je v řádu desetin milimetru. Plátky se dále dokonale vyleští.

Na připravených plátcích se pak vytvářejí důmyslnými postupy miniaturní masky a na nezamaskovaná místa se difuzí přidávají různé příměsi, které v daných místech přetvářejí základní polovodičový materiál na materiál typu P nebo N, takže vznikají tzv. PN přechody.

Další často používanou metodou je iontová epitaxe, která spočívá v přímém „nastřelování“ iontů patřičných příměsí do určených míst polovodiče.

Po vytvoření struktury obvodu se na povrch vakuově napaří tenká vrstvička kovu (nejčastěji hliníku). Ta se poté opět za pomoci masky odleptá, takže na určených místech destičky vzniknou hliníkové kontakty.

Na jednom plátku je takto vytvořeno zpravidla několik řad a sloupců stejných obvodů. Ty se nejprve elektricky otestují pomocí jemných hrotů dotýkajících se vytvořených hliníkových kontaktů. Vadné součástky jsou označeny a celá destička je pak rozřezána na jednotlivé integrované obvody. U těch, které v předchozím kroku prošly testem, jsou ke kontaktům přivařeny miniaturní zlaté drátky, které jsou vyvedeny na vývody (nožičky) IO.

Na výstřižek z plechu je přilepena křemíková destička s obvodem, je provedeno nakontaktování a celý obvod je poté zalit do plastového pouzdra.

Celý obvod je pak zapouzdřen do (většinou plastového) pouzdra. Některé náročnější součástky (například výkonné mikroprocesory) mají ovšem pouzdra ze speciální keramické hmoty často kombinované s kovovými destičkami kvůli odvodu tepla ze součástky, jiné součástky (v minulosti třeba paměti EPROM, dnes například prvky CCD) mají části pouzder skleněné, takže je vidět na vlastní křemíkovou destičku.

V některých masově vyráběných produktech spotřební elektroniky se z důvodů snížení ceny a miniaturizace lepí křemíkové destičky obvodů bez pouzdra přímo na desku s plošnými spoji. Po připojení kontaktů jsou pouze zakápnuty vytvrditelnou pryskyřicí.

Hybridní integrované obvody

Hybridní integrované obvody se zpravidla skládají z tenké keramické destičky, na kterou jsou metodou sítotisku naneseny vodivé spoje, rezistory a přilepeny křemíkové destičky s diskrétními polovodičovými součástkami nebo jednoduššími monolitickými integrovanými obvody. Případně mohou být na tutéž destičku přilepeny i další součástky jako například kondenzátory nebo cívky. Hodnoty odporu rezistorů lze na destičkách hybridních obvodů případně pomocí laseru velmi přesně doladit. Destička se součástkami a podobný hotový hybridní integrovaný obvod v plastovém pouzdře

Poté se provede kontaktování polovodičových součástek běžným způsobem a obvod je uzavřen do kovového nebo plastového pouzdra.