Embed Size (px)
Citation preview
Montérslaboproudých zařízeníE-LEARNING
„Vzdělávej se, máš na to celý život“
CZ.1.07/3.2.04/04.0055
Montér slaboproudých zařízení (26-
020-H)
Základní informace pro podporu výuky modulu Montér slaboproudých zařízení (26-020-H)
2
Obsah 1. Základní pojmy, základní vztahy ..................................................................................................... 5 1.1. Veličiny a jednotky ......................................................................................................................... 5
2. Základní obvodové veličiny .............................................................................................................. 8 2.1. Elektrické napětí ............................................................................................................................. 8 2.2. Elektrický proud ............................................................................................................................. 8 2.3. Elektrický odpor, impedance ......................................................................................................... 8
3. Základní pojmy v elektrických obvodech...................................................................................... 10 3.1. Elektrický proud ........................................................................................................................... 10 3.2. Elektrický obvod ........................................................................................................................... 10 3.3. Elektrický odpor ........................................................................................................................... 10 3.4. Elektrická vodivost ....................................................................................................................... 11 3.5. Elektrické pole, elektrická energie .............................................................................................. 11 3.6. Elektrická práce ............................................................................................................................ 11 3.7. Elektrický výkon ........................................................................................................................... 12 3.8. Ohmův zákon ................................................................................................................................ 12 3.8.1. Voltampérová charakteristika 12 3.9. Stejnosměrné obvody ................................................................................................................... 13 3.10. Střídavé obvody .......................................................................................................................... 14 3.10.1. Střídavé (harmonické) napětí 15 3.10.2. Kontrolní otázky Chyba! Záložka není definována.
4. Vodiče a nevodiče (izolanty) ........................................................................................................... 17 4.1. Odpor vodiče ................................................................................................................................. 17 4.2. Impedance ..................................................................................................................................... 18 4.3. Admitance ..................................................................................................................................... 19
5. Základní součástky v obvodu střídavého proudu ......................................................................... 21 5.1. Rezistor v obvodu střídavého proudu ......................................................................................... 21 5.2. Cívka v obvodu střídavého proudu ............................................................................................. 21 5.3. Kondenzátor v obvodu střídavého proudu ................................................................................ 22 5.4. Fázový posun mezi střídavým proudem a střídavým napětím ................................................. 23 5.5. Fázorový diagram ......................................................................................................................... 24 5.5.1. Ideální rezistor, fázový posun 24 5.5.2. Ideální cívka, fázový posun 25 5.5.3. Ideální kondenzátor, fázový posun 26
6. Ohmův zákon ve střídavých obvodech .......................................................................................... 28 6.1. Výkon ve střídavém obvodu ........................................................................................................ 28 6.1.1. Činný výkon 28 6.1.2. Jalový výkon 29 6.1.3. Zdánlivý výkon 29
7. Řešení jednoduchých elektrických obvodů ................................................................................... 31 7.1. Stejnosměrné obvody ................................................................................................................... 31 7.1.1. Sériové řazení 31 7.1.2. Paralelní řazení 31 7.1.3. Sérioparalelní řazení 33 7.2. Střídavé obvody ............................................................................................................................ 34 7.2.1. Sériové řazení 36 7.2.2. Paralelní řazení 38 7.2.3. Sérioparalelní řazení 41 7.3. Kirchhoffovy zákony .................................................................................................................... 42 7.3.1. První Kirchhoffův zákon (proud v uzlu) 42
3
7.3.2. Druhý Kirchhoffův zákon (napětí ve smyčce) 43
8. Základní elektronické součástky a materiály v praxi .................................................................. 47 8.1. Rezistory ........................................................................................................................................ 47 8.1.1. Měření rezistorů 47 8.1.2. Montáž rezistorů 48 8.2. Kondenzátory ................................................................................................................................ 48 8.2.1. Měření kondenzátorů 49 8.2.2. Montáž kondenzátorů 49 8.3. Cívky, tlumivky a transformátory .............................................................................................. 50 8.3.1. Montáž cívek, tlumivek a transformátorů 50 8.4. Diody, tranzistory a tyristory ...................................................................................................... 51 8.4.1. Montáž diod, tranzistorů a tyristorů 52 8.5. Montáž integrovaných obvodů .................................................................................................... 53
9. Pájení v elektrotechnice .................................................................................................................. 56 9.1. Pájedlo ........................................................................................................................................... 56 9.2. Pájka .............................................................................................................................................. 56 9.2.1. Typy pájek 56 9.3. Pájedla ........................................................................................................................................... 57 9.3.1. Transformátorové pájedlo 57 9.3.2. Odporová pájedla 57 9.3.3. Odporová regulovaná pájedla 58 9.3.4. Pájecí stanice 58 9.3.5. Cínová lázeň 58 9.4. Tavidla ........................................................................................................................................... 58 9.5. Typy tavidel ................................................................................................................................... 59 9.6. Další přípravky ............................................................................................................................. 60 9.6.1. Odsávačka cínu 61 9.6.2. Odsávací knot 61 9.6.3. Horkovzdušná jehla 61 9.7. Postup při pájení ........................................................................................................................... 61 9.8. Osazování desek plošných spojů ................................................................................................. 62 9.9. Ochrana součástek před elektrostatickým nábojem ................................................................. 62 9.9.1. Zacházení se součástkami 63 9.10. Zásady zacházení s deskami plošných spojů ............................................................................ 63 9.11. Oblečení a ustrojení pracovníků ............................................................................................... 65 9.12. Vyhrazené pracoviště ................................................................................................................. 65 9.13. Pracovní prostředí ...................................................................................................................... 66 9.14. Práce ve vyhrazeném prostoru .................................................................................................. 66 9.15. Oživování, měření a opravy ....................................................................................................... 66
10. SMT technologie povrchové montáže ............................................................................................ 68 10.1. Přednosti SMT technologie ........................................................................................................ 68 10.2. Zápory a omezení SMT technologie .......................................................................................... 68 10.3. Používané zkratky ...................................................................................................................... 69 10.4. Zkratky pro nejběžnější typy pouzder ..................................................................................... 69 10.5. Práce se SMD součástkami ........................................................................................................ 70 10.6. Manipulace se SMD součástkami .............................................................................................. 70 10.7. Nanášení pájecí pasty ................................................................................................................. 71 10.8. Pájení SMD součástek ................................................................................................................ 71 10.9. Převodní tabulky......................................................................................................................... 72
11. Měření elektrických veličin ............................................................................................................. 79 11.1. Základní pojmy ........................................................................................................................... 79 11.2. Měřicí přístroje ........................................................................................................................... 79 11.2.1. Podle principu měřicího ústrojí je můžeme rozdělit 80
4
11.3. Vyhodnocení a interpretace naměřených výsledků ................................................................. 81 11.3.1. Přesnost měření 82 11.3.2. Vyhodnocení 82 11.3.3. Interpretace naměřených výsledků 83
12. Zapojování elektronických obvodů podle schémat ...................................................................... 85 12.1. Cvičná schémata ......................................................................................................................... 85 12.2. Napájecí zdroj ............................................................................................................................. 85 12.2.1. Jednoduchý blikač 87 12.3. Praktická zapojení ...................................................................................................................... 87 12.3.1. Prozváněčka 87 12.3.2. Bzučák SMT 88
13. Elektronické zabezpečovací systémy EZS ..................................................................................... 99 13.1. Úvod do predmětu ...................................................................................................................... 99 13.2. Základní pojmy ........................................................................................................................... 99 13.2.1. Aspekty bezpečnosti aktiv 101 13.2.2. Minimalizace ztrát aktiv 102 13.3. Ústředna EZS ............................................................................................................................ 103 13.3.1. Kabelové ústředny 103 13.3.2. Rádiové ústředny EZS 105 13.4. Souborná práce EZS ................................................................................................................ 108
Interaktivní slovník ............................................................................................................................... 112
5
1. Základní pojmy, základní vztahy
1.1. Veličiny a jednotky
DŮLEŽITÉ
Fyzikální veličina popisuje vlastnost hmoty, kterou lze buď spočítat, nebo změřit. Jednotka je
dohodnuté základní množství fyzikální veličiny. Veličiny dělíme na skalární a vektorové. Skalární
veličina (skalár) je určena číselnou hodnotou a jednotkou; vektorová veličina (vektor) má navíc ještě
směr. Mezinárodní soustava veličin a jednotek je soustava SI. Definuje sedm základních jednotek
(jejich přesné hodnoty) a vedlejší jednotky; kombinací jednotek základních dostaneme jednotky
odvozené.
DŮLEŽITÉ
Základní jednotky soustavy SI
fyzikální veličina jednotka značka
délka metr m
hmotnost kilogram kg
čas sekunda s
termodynamická teplota kelvin K
látkové množství mol mol
elektrický proud ampér A
svítivost kandela cd
DŮLEŽITÉ
Vedlejší jednotky soustavy SI
fyzikální veličina jednotka značka
rovinný úhel radián rad
prostorový úhel steradián sr
V praxi se nevyjadřuje hodnota veličiny jen pomocí základních jednotek, ale také pomocí jejich násobků
a dílů.
Násobky a díly jednotek soustavy SI
1015
peta P 1 000 000 000 000 000 1015
1012
tera T 1 000 000 000 000 1012
109 giga G 1 000 000 000 10
9
106 mega M 1 000 000 10
6
103 kilo k 1 000 10
3
6
100 – – 1 10
0
10-3
mili m 0,001 10-3
10-6
mikro µ 0,000 001 10-6
10-9
nano n 0,000 000 001 10-9
10-12
piko p 0,000 000 000 001 10-12
10-15
femto a 0,000 000 000 000 001 10-15
PŘÍKLAD
Při převodu postupujeme tak, že si uvědomíme, zda převádíme z větších jednotek na menší (těch bude
víc) nebo z menších jednotek na větší (těch bude míň). Kolikrát více nebo méně závisí na tom, jak
„daleko“ jsou od sebe násobky a díly umístěny (jdeme-li o jeden řádek v tabulce, násobíme či dělíme
103 atd.).
Pro snadnější pochopení poslouží následující příklad převodu:
1) 3,7 kg = ? g
Převádíme z kilogramů na gramy, tedy na menší jednotky, kterých musí být více. Jdeme o jeden
řádek v tabulce, tedy tisíckrát (103 … deset na třetí). Stačí tedy hodnotu 3,7 vynásobit tisícem
a dostaneme hodnotu v gramech.
3,7 kg = 3700 g
2) 2,6 MW = ? kW
Převádíme z megawattů na kilowatty, opět na menší jednotky, kterých bude více. Jdeme o jeden
řádek v tabulce, tedy tisíckrát více. Hodnotu 2,6 vynásobíme tisícem a dostaneme výslednou hodnotu
v kilowattech.
2,6 MW = 2600 kW
3) 300 V = ? kV
Převod z voltů na kilovolty je směrem k vyšším jednotkám, proto jich bude méně. Opět jdeme o jeden
řádek v tabulce, tj. tisíckrát. Nyní ale převádíme na větší jednotky, tedy tisícem dělíme.
300 V = 0,3 kV
4) 400 pA = ? mA
Z pikoampérů na miliampéry je převod na vyšší jednotky. Jdeme ale o dva řády (dva řádky
v tabulce), proto budeme dělit miliónem (106).
400 pA = 0,000 4 mA
7
1.2. Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Kolik znáš základních mezinárodně uznávaných veličin?
Odpověď: Mezinarodně uznavaných veličin je SEDM a jsou uvedeny v tak zvané soustavě SI.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Co jsou to odvozené jednotky?
Odpověď: Jsou to jednotky, které vzniknou kombinací jednotek základních.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: V čem se liší veličina vektorová od veličiny skalární?
Odpověď: Vektorová veličina má navíc směr, tj. je orientovaná.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Patří elektrický proud mezi sedm hlavních veličin mezinárodní soustavy SI?
Odpověď: Patří.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Popište postup převodu číselné hodnoty práce z kWh na Ws.
Odpověď: Máme zadánu hodnotu práce v kilowathodinách a máme ji převést na wattsekundy. Hodnotu
v kilowathodinách vynásobíme 1000 (předpona kilo) a dále ji vynásobíme 3600 (1 hodina = 60x60
sekund). Tedy 1 kWh = 1.3600.1000 = 3,6 .106 Ws.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Převeďte 180 000 Ws = ? kWh; 40 pF = ? nF; 1 m3 = ? cm
3
Odpověď: 0,05 kWh; 0,04 nF; 1 000 000 cm3
8
2. Základní obvodové veličiny
DŮLEŽITÉ
Základní obvodové veličiny v elektronice a elektrotechnice jsou elektrické napětí, elektrický proud
a elektrický odpor. Napětí a proud se vyznačuje šipkou. Napěťová šipka je otevřená a proudová šipka
je uzavřená. Napěťová šipka určuje směr působení napětí a proudová šipka určuje dohodnutý směr
proudu.
2.1. Elektrické napětí
DŮLEŽITÉ
Elektrické napětí značíme U, jednotkou je volt. Směr napětí je od kladného pólu (svorky) zdroje
k zápornému pólu (svorce) zdroje.
Směr napětí lze určit i v elektrickém obvodu na dalších součástkách (podle směru elektrického proudu).
VU ][ – napěťová šipka
2.2. Elektrický proud
DŮLEŽITÉ
Elektrický proud značíme I, jednotkou je ampér. Dohodnutý směr proudu je od kladného pólu (svorky)
zdroje přes obvod do záporného pólu (svorky) zdroje.
AI ][ – proudová šipka
2.3. Elektrický odpor, impedance
DŮLEŽITÉ
9
Třetí veličinou, spojující napětí a proud je ve stejnosměrných obvodech elektrický odpor R a ve
střídavých obvodech impedance Z.
Obě mají stejnou jednotku, ohm.
][R , ][Z
2.4. Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka 1: Jakou orientaci (směr) má dohodnutý směr proudu?
Odpověď 1: Dohodnutý směr proudu je od kladného pólu (svorky) zdroje přes obvod do záporného
pólu (svorky) zdroje.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Kdy používáme pojem „elektrický odpor“ a kdy pojem „impedance“?
Odpověď: Elektrický odpor R používáme v obvodech stejnosměrných; impedanci Z v obvodech
střídavých.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Elektrický proud je uspořádaný nebo neuspořádaný pohyb? Jakých částic?
Odpověď: Elektrický proud je uspořádaný pohyb záporně nabitých volných elektronů.
10
3. Základní pojmy v elektrických
obvodech
3.1. Elektrický proud
DŮLEŽITÉ
Elektrický proud je uspořádaný pohyb záporně nabitých elektronů (říkáme jim volné elektrony).
POZOR
Dohodnutý směr proudu je vždy od kladné svorky zdroje k záporné svorce (i když skutečný směr
proudu je opačný).
3.2. Elektrický obvod
DŮLEŽITÉ
Elektrický obvod je složen ze zdroje, jedné nebo více elektronických součástek a vodičů, které spojují
zdroj a součástky.
Po připojení zdroje do obvodu (obvykle spínačem) začne obvodem protékat elektrický proud. Přitom se
přenáší ze zdroje do obvodu elektrická energie, která se buď využije účelně (světlo, práce motoru, …)
nebo se ve formě tepla promění na ztráty (ty jsou nežádoucí). Ke ztrátám dochází jak na součástkách,
tak i ve vodičích – mají elektrický odpor. Ten brání průchodu elektrického proudu, dochází k zahřívání
(a tím pádem i ke ztrátám).
3.3. Elektrický odpor
DŮLEŽITÉ
Elektrický odpor se vysvětluje jako jev, kdy elektrony tvořící elektrický proud při své cestě vodičem
naráží na atomy, tím dochází ke ztrátě jejich elektrické energie, která se přemění v teplo (tepelná
energie).
Elektrický odpor je důležitá veličina u elektronických součástek; značí se R, jednotka je Ω (ohm).
][R
11
3.4. Elektrická vodivost
DŮLEŽITÉ
Elektrická vodivost je schopnost materiálu (nebo součástky) vést elektrický proud. Je to převrácená
hodnota elektrického odporu.
Elektrická vodivost je důležitá veličina (často se používá v paralelním zapojení součástek v obvodu);
značí se G, jednotka je S (siemens).
SG ][
RG
1 ,
GR
1
3.5. Elektrické pole, elektrická energie Elektrický zdroj vytváří elektrické pole, které je schopné přenášet elektrickou energii.
3.6. Elektrická práce
DŮLEŽITÉ
Při průchodu elektrického proudu obvodem konají síly elektrického pole práci. Ta je úměrná velikosti
proudu a napětí a času, po který proud teče obvodem.
Elektrická práce se značí W a její jednotkou je joule [džaul].
JW ][
tIUW
POZNÁMKA
Spotřeba elektrické energie se měří elektroměrem, typicky v kilowatthodinách – tuto jednotku
dostaneme ze vzorce pro elektrickou práci W tak, že vynásobením U a I dostáváme watty
a vynásobením t dostaneme wattsekundy. Podělením 3600 (hodina má právě 3600 sekund) dostaneme
watthodiny, podělením tisícem dostaneme kilowatthodiny.
12
3.7. Elektrický výkon
DŮLEŽITÉ
Výkon je práce W vykonaná za čas t značí se P a jeho jednotkou je watt.
WP ][
IUt
WP
Výkon lze také vypočítat jako součin napětí U a proudu I (což vyplývá z dosazení tIUW do
předchozího vzorce).
3.8. Ohmův zákon
DŮLEŽITÉ
Ve stejnosměrných obvodech platí mezi napětím a proudem Ohmův zákon, třetí veličinou je elektrický
odpor R, jehož jednotkou je ohm.
][R , VU ][ , AI ][
POZOR
Ohmův zákon
I
UR
, IRU
, R
UI
Omezení platnosti Ohmova zákona je v tom, že platí pouze v lineárních obvodech (a neplatí
v nelineárních obvodech). Lineární obvod je takový, který obsahuje pouze lineární součástky a zdroje,
tedy jejich voltampérové charakteristiky jsou lineární (úsečka, polopřímka, přímka).
3.8.1. Voltampérová charakteristika
DŮLEŽITÉ
13
Voltampérová charakteristika (tzv. VA-charakteristika) je grafické znázornění vztahu mezi proudem
a napětím.
Typicky vynášíme na vodorovnou osu x napětí U a na svislou osu y proud I.
Obr. 5.1 – Lineární a nelineární voltampérová charakteristika.
3.9. Stejnosměrné obvody
DŮLEŽITÉ
Za stejnosměrné obvody považujeme takové, ve kterých existuje jen stejnosměrné napětí a stejnosměrný
proud, také zdroj je stejnosměrný.
Stejnosměrné obvody jsou jednodušší než střídavé (snadněji se vysvětlí souvislosti), proto jimi začneme.
Stejnosměrné napětí nemění svou polaritu („znaménko“) a obvykle má konstantní hodnotu. Podobně
i stejnosměrný proud nemění svoji polaritu a obvykle je konstantní.
14
Obr. 5.2 – Stejnosměrné napětí a stejnosměrný proud.
3.10. Střídavé obvody
DŮLEŽITÉ
Za střídavé obvody považujeme takové, ve kterých existuje střídavé napětí a střídavý proud, také zdroj
je střídavý.
Pod pojmem střídavé napětí (proud) budeme chápat takové, které se s časem mění podle funkce sinus.
Obr. 5.3 – Střídavé (harmonické) napětí a střídavý (harmonický) proud.
15
3.10.1. Střídavé (harmonické) napětí
DŮLEŽITÉ
Nejčastěji se setkáme s napětím, které se mění podle funkce sinus. Označujeme ho jako harmonické
napětí.
Lze ho popsat rovnicí
)sin(max tUu ,
kde:
u – okamžitá hodnota napětí
Umax – amplituda (maximální hodnota)
w – úhlová frekvence; f 2
j – fázový posun
DŮLEŽITÉ
Důležitý význam má efektivní hodnota napětí, Uef, která se v praxi používá častěji než hodnota
maximální Umax.
Důležitý význam má efektivní hodnota napětí, Uef, která se v praxi používá častěji než hodnota
maximální Umax.
Pro harmonické napětí („sinusový průběh“) platí mezi Uef a Umax vzorec:
maxmax 707,02
2UUUef
Pozn.: Analogické vztahy platí i pro harmonický proud.
16
3.11. Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Co je to elektrický proud?
Odpověď: Elektrický proud je uspořádaný pohyb záporně nabitých elektronů.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Souvisí spolu nějak elektrická vodivost a elektrický odpor?
Odpověď: Ano, elektrická vodivost G je převrácenou hodnotou elektrického odporu R (a naopak).
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Co popisuje Volt-Amperová charakteristika?
Odpověď: Popisuje graficky závislost proudu na napětí.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Platí ve stejnosměrných obvodech Ohmův zákon?
Odpověď: Ano, platí. Jedná se o důležitý zákon vyjadřující vztah mezi veličinami U, I, R.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Může být voltampérová charakteristika součástky nelineární?
Odpověď: Ano, nelineární součástky mají nelineární voltampérovou charakteristiku.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Uveďte převodní vztah mezi efektivní a maximální hodnotou harmonického napětí? Která
hodnota je větší?
Odpověď: Pro harmonické napětí („sinusový průběh“) platí mezi Uef a Umax vzorec:
maxmax 707,02
2UUUef
Ze vztahu vyplývá, že Umax > Uef
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Je harmonické napětí střídavé napětí?
Odpověď: Ano, harmonické napětí je takové, které se mění podle funkce sinus, je teda střídavé.
17
4. Vodiče a nevodiče (izolanty)
DŮLEŽITÉ
Z hlediska schopnosti vést elektrický proud dělíme látky (materiály) na vodiče a nevodiče (izolanty).
Vodiče mají malý elektrický odpor R a vedou elektrický proud, nevodiče mají velký elektrický odpor
a nevedou elektrický proud.
POZNÁMKA
Existuje ještě třetí skupina látek (materiálů) a to polovodiče. Ty mají jisté specifické vlastnosti.
4.1. Odpor vodiče Vodič je vyrobený z vodivého materiálu (vede elektrický proud) a má malý odpor. Nejlepším vodičem
je stříbro, je však drahé, proto se v praxi až na výjimečné případy nepoužívá. Místo něj se používají
materiály horší, s větším odporem, ale levnější.
Odpor vodiče závisí na jeho průřezu, délce a materiálu. Vliv materiálu popisuje materiálová konstanta
zvaná měrný elektrický odpor (rezistivita), značí se ρ (pozor, neplést s hustotou!), její jednotkou je
ohmmetr.
m][
materiál měrný elektrický odpor (rezistivita) [W×m]
stříbro 0,017·10-6
měď 0,018·10-6
zlato 0,0235·10-6
hliník 0,028·10-6
Hodnoty měrného elektrického odporu několika materiálů (Mikulčák a kolektiv: Matematické, fyzikální
a chemické tabulky pro střední školy, SPN Praha, 1988)
DŮLEŽITÉ
Odpor vodiče je přímo úměrný měrnému odporu a délce vodiče, nepřímo úměrný průřezu vodiče.
S
lR
][R , m][ , ml ][ , 2][ mS
Čím bude vodič delší, tím vyšší odpor bude mít (delší dráha proudu), čím menší bude mít průřez, tím
bude jeho odpor vyšší (dochází častěji k nárazům volných elektronů do atomů).
18
4.2. Impedance
DŮLEŽITÉ
Vztah mezi napětím a proudem udává ve stejnosměrných obvodech elektrický odpor R; v obvodech
střídavých je touto veličinou impedance Z, jejíž jednotkou je ohm.
][Z
Pozn.: Trochu nepřesně lze říct, že impedance je „odpor ve střídavém obvodu“.
Impedance má dvě složky:
činnou (reálnou) R – elektrický odpor, [R]= W
jalovou (imaginární) X – reaktance, [X]= W
POZNÁMKA
Impedance se dobře popisuje pomocí komplexních čísel (odtud i názvy „reálná složka“ a „imaginární
složka“ impedance), to však přesahuje rámec tohoto textu; více se dozvíte na wikipedia.org/Komplexní
čísla
Některé součástky mají impedanci jenom reálnou (tj. činný elektrický odpor R) – u nich nedochází
k fázovému posunu mezi napětím a proudem (např. rezistor); jiné mají impedanci imaginární (tj. jalovou
reaktanci X) – u nich dochází k fázovému posunu mezi napětím a proudem (např. kondenzátor, cívka).
Reaktance tedy způsobuje, že v elektrickém obvodu dojde k fázovému posunu mezi napětím a proudem
(viz dále).
Obecně platí, že má-li impedance obě složky (činnou a jalovou), vypočítáme:
celkovou velikost impedance:
22 XRZ
(což je vlastně upravená Pythagorova věta 222 XRZ )
fázový posun mezi napětím a proudem:
R
Xtg
Z
Rcos
Impedance Z a její složky R, X
19
POZNÁMKA
Pro další seznámení se s impedancí lze použít odkaz wikipedia.org/Impedance
4.3. Admitance
DŮLEŽITÉ
Další veličinou ve střídavých obvodech je admitance, což je převrácená hodnota impedance. Jednotkou
admitance je siemens.
SY ][
ZY
1 ,
YZ
1
S admitancí počítáme obvody s paralelně zapojenými součástkami, je totiž vhodnější pro praktický
výpočet.
20
4.4. Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Jak rozdělujeme látky v závislosti na schopnosti vest elektrický proud?
Odpověď: Látky rozdělujeme na vodiče a nevodiče (izolanty).
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Z jakých složek se skládá Impedance Z?
Odpověď: Skládá se z činné (realné) složky – odpory R a jalové (imaginární) složky – reaktance X.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Mají nevodiče nekonečně velký odpor?
Odpověď: Ne, jejich odpor není nekonečně velký; je však natolik velký, že se nedají použít pro vedení
elektrického proudu.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Existuje vztah mezi délkou vodiče a jeho elektrickým odporem?
Odpověď: Ano, je to přímá úměrnost; čím delší je vodič, tím vyšší je jeho elektrický odpor.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Která veličina popisuje vliv materiálu na elektrický odpor vodiče?
Odpověď: Je to měrný elektrický odpor r .
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Souvisí nějak pojmy impedance a admitance?
Odpověď: Ano, admitance Y je převrácená hodnota impedance Z (a naopak).
21
5. Základní součástky v obvodu
střídavého proudu
5.1. Rezistor v obvodu střídavého proudu Schématická značka rezistoru
DŮLEŽITÉ
Ideální rezistor má ve střídavém obvodu pouze elektrický odpor R, tj. jeho impedance je čistě reálná.
Impedance rezistoru
činná složka 0R
jalová složka 0X
POZOR
Impedance rezistoru RZR
Admitance rezistoru GRZ
YR
R 11
5.2. Cívka v obvodu střídavého proudu Schématická značka cívky
DŮLEŽITÉ
Ideální cívka má ve střídavém obvodu pouze reaktanci XL, její impedance je jalová (čistě
imaginární).
Impedance cívky
činná složka 0R
jalová složka 0X ; LLfXL 2
22
Reaktanci cívky se říká induktance (cívka má indukčnost), značí se XL, a vypočítá se podle
LLfXL 2
kde
f je frekvence střídavého proudu
L je indukčnost cívky
ω je úhlová frekvence w = 2 ×p × f( )
LLfXZ LL 2
Impedance cívky je frekvenčně závislá, tj. její hodnota závisí na frekvenci střídavého proudu, který
protéká cívkou.
POZOR
Impedance cívky LZL
Admitance cívky L
YL
1
Pozn.: Ve vzorcích se často místo impedance ZL rovnou používá reaktance XL.
5.3. Kondenzátor v obvodu střídavého proudu Schematická značka kondenzátoru
DŮLEŽITÉ
Ideální kondenzátor má ve střídavém obvodu pouze reaktanci XC, jeho impedance je jalová (čistě
imaginární).
Impedance kondenzátoru
činná složka 0R
jalová složka 0X ; CCf
XC
1
2
1
Reaktanci kondenzátoru se říká kapacitance (kondenzátor má kapacitu), značí se XC, a vypočítá se podle
23
CCfXC
1
2
1
kde
f je frekvence střídavého proudu
C je kapacita kondenzátoru
ω je úhlová frekvence w = 2 ×p × f( )
CCfXZ CC
1
2
1
Impedance kondenzátoru je frekvenčně závislá, tj. její hodnota závisí na frekvenci střídavého proudu,
který protéká kondenzátorem.
POZOR
Impedance kondenzátoru C
ZC
1
Admitance kondenzátoru CYC
Pozn.: Ve vzorcích se často místo impedance ZC rovnou používá reaktance XC.
POZNÁMKA
Je dobré připomenout, že:
a) Impedance rezistoru je konstantní a není závislá na frekvenci proudu, který rezistorem protéká.
b) Impedance (reaktance) cívky je závislá na frekvenci proudu, který cívkou protéká (čím vyšší je
frekvence proudu, tím vyšší je impedance cívky).
c) Impedance (reaktance) kondenzátoru je závislá na frekvenci proudu, který kondenzátorem
protéká (čím vyšší je frekvence proudu, tím nižší je impedance kondenzátoru).
5.4. Fázový posun mezi střídavým proudem
a střídavým napětím
DŮLEŽITÉ
Ve střídavých obvodech obecně dochází k fázovému posunu mezi napětím a proudem a to tehdy, jestliže
impedance obvodu není pouze činná (odpor R), ale obsahuje i jalovou složku (reaktanci X).
impedance Z elektrický odpor R reaktance X fázový posun j
rezistor R 0 0, IU
cívka 0 XL radIU
290,
24
kondenzátor 0 XC radIU
290,
Fázové posuny ve střídavých obvodech; pro rezistor, cívku a kondenzátor
5.5. Fázorový diagram Průběh napětí a proudu lze znázornit časovým průběhem („klasický způsob“, viz obr. Střídavé napětí
a proud) nebo pomocí fázorů napětí a proudu v tzv. fázorovém diagramu.
Fázorový diagram je grafické znázornění fázorů napětí a proudů v rovině. Fázor je (zjednodušeně)
vektor, jehož velikost odpovídá buď efektivní hodnotě napětí a proudu nebo hodnotě maximální.
Pomocí fázorů se srozumitelně a názorně graficky vyjádří fázový posun mezi napětím a proudem.
5.5.1. Ideální rezistor, fázový posun
Na rezistoru ve střídavém obvodu nevzniká žádný fázový posun mezi napětím a proudem, říkáme, že
napětí a proud jsou ve fázi; 0, IU .
Fázový posun mezi napětím a proudem na rezistoru; (napětí modře, proud červeně)
25
Fázorový diagram (posun mezi napětím a proudem) na rezistoru
5.5.2. Ideální cívka, fázový posun
Na cívce ve střídavém obvodu vzniká fázový posun mezi napětím a proudem, říkáme, že napětí a proud
nejsou ve fázi; na cívce se nejprve objeví napětí a teprve pak teče proud, fázový posun je 90° (čtvrtina
periody, 2/ ), tj. radIU2
90,
Fázový posun mezi napětím a proudem na cívce; (napětí modře, proud červeně)
26
ázorový diagram (posun mezi napětím a proudem) na cívce
5.5.3. Ideální kondenzátor, fázový posun
Na kondenzátoru ve střídavém obvodu vzniká fázový posun mezi napětím a proudem, říkáme, že napětí
a proud nejsou ve fázi; na kondenzátoru se nejprve objeví proud a teprve pak napětí, fázový posun je –
90° (čtvrtina periody, -p / 2), tj. radIU2
90,
obr. 7a – Fázový posun mezi napětím a proudem na kondenzátoru; (napětí modře, proud červeně)
27
obr. 7b – Fázorový diagram (posun mezi napětím a proudem) na kondenzátoru
5.6. Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Má impedance (pro každou součástku) vždy nenulovou jalovou složku?
Odpověď: Ne, rezistor má impedanci, jejíž jalová složka je nulová.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Dochází u rezistoru k fázovému posunu mezi napětím a proudem? Proč?
Odpověď: Ne. Rezistor má impedanci čistě reálnou, tj. jalová složka je nulová.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Dochází u cívky k fázovému posunu mezi napětím a proudem? Proč?
Odpověď: Ano. Impedance cívky má jalovou složku.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Závisí reaktance cívky XL na frekvenci střídavého proudu, který cívkou protéká?
Odpověď: Ano, reaktance XL je přímo úměrná frekvenci střídavého proudu.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: S rosotoucí hodnotou frekvence střídavého proudu roste nebo klesá impedance kondenzátoru?
Odpověď: Impedance kondenzátoru je nepřímo úměrná frevenci střídavého proudu; roste-li tedy
frekvence, impedance klesá.
28
6. Ohmův zákon ve střídavých obvodech V lineárních střídavých obvodech platí modifikovaný Ohmův zákon, veličinou spojující napětí
U a proud I je impedance Z.
Ohmův zákon pro střídavé obvody:
I
UZ , IZU ,
Z
UI
][Z , VU ][ , AI ][
6.1. Výkon ve střídavém obvodu
DŮLEŽITÉ
Ze stejnosměrných obvodů víme, že výkon je práce W vykonaná za čas t; značí se P a jeho jednotkou je
watt. IUt
WP
Ve střídavých obvodech je situace odlišná, existují zde celkem 3 výkony:
činný cos efef IUP
jalový sin efef IUQ
zdánlivý efef IUS .
6.1.1. Činný výkon
cos efef IUP
Vidíme, že výpočet činného výkonu je ve střídavém obvodu podobný výpočtu ve stejnosměrném
obvodu, je zde ale jeden činitel navíc: cos . Nazývá se účiník, a vyjadřuje skutečnost, že mezi napětím
a proudem je fázový posun φ.
0
Bude-li fázový posun φ mezi napětím a proudem nulový (impedance obvodu je čistě reálná,
Z=R), tj. 0 , pak je účiník roven jedné, 1cos a dostaneme stejný vzorec pro činný
výkon, jako je ve stejnosměrném obvodu ( IUP ).
0
Pokud je fázový posun φ mezi napětím a proudem nenulový (impedance obvodu obsahuje
jalovou složku, tj. reaktanci X), tj. 0 , pak je činný výkon menší.
29
2
90
V případě jalové impedance (tj. pouze reaktance X) je fázový posun 2
90
a pak je
činný výkon nulový.
U činného výkonu je důležitým pojmem je účiník, cos , což je bezrozměrná veličina (nemá jednotku).
Má velký význam pro posouzení, jakou část zdánlivého výkonu S tvoří činný výkon P.
fázový posun φ účiník cos činný výkon P
0 1cos P = S
0 1cos0 P < S
90 0cos P = 0
tab. 6 – Fázové posuny, účiník, činný výkon
Činný výkon je vždy kladný nebo nulový.
Jednotkou činného výkonu je watt, WP ][ .
6.1.2. Jalový výkon
sin efef IUQ
Část výkonu se nespotřebovává, ale přelévá se obvodem tam a zpět. Je to dáno tím, že elektrická energie
v jedné části periody vytváří elektrické pole v kondenzátoru (a/nebo magnetické pole v cívce), v druhé
části periody pole zaniká a vrací energii do obvodu.
Podle hodnoty fázového posunu může být jalový výkon kladný, záporný nebo nulový.
Jednotkou jalového výkonu je voltampér reaktanční. var][ Q
6.1.3. Zdánlivý výkon
efef IUS
Z praktických důvodů se zavádí zdánlivý výkon, který už nezávisí na fázovém posunu mezi napětím
a proudem. Mezi těmito třemi výkony platí vztah:
222 QPS , 22 QPS
30
Zdánlivý výkon je vždy kladný.
Jednotkou zdánlivého výkonu je voltampér. VAS ][
Zdánlivý výkon má velký význam při (dálkovém) přenosu elektrické energie, neboť se podle něj
dimenzují vodiče.
6.2. Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Vyjmenujte výkony ve střídavých obvodech.
Odpověď: Ve střídavých obvodech jsou definovány tři výkony: činný, jalový, zdánlivý.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Za jakých okolností může být činný výkon záporný?
Odpověď: Nikdy. Činný výkon je vždy buď kladný, nebo nulový; nikdy ne záporný.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Který ze střídavých výkonů má nejvyšší hodnotu?
Odpověď: Nejvyšší hodnotu má výkon zdánlivý; podle jeho hodnoty se dimenzují vodiče pro přenos
elektrické energie.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Je-li fázový posun mezi napětím a proudem nulový, co z toho vyplývá pro jalový výkon?
Odpověď: V případě nulového fázového posunu mezi napětím a proudem vyjde jalový výkon nulový.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Co je to účiník (cos φ)?
Odpověď: Je to bezrozměrná veličina (nemá jednotku), označuje jakou část zdánlivého výkonu S tvoří
činný výkon P.
31
7. Řešení jednoduchých elektrických
obvodů
7.1. Stejnosměrné obvody
7.1.1. Sériové řazení
DŮLEŽITÉ
Při sériovém řazení dvou rezistorů se celkový odpor vypočítá jako součet obou odporů.
21 RRR
Při sériovém řazení více rezistorů se celkový odpor vypočítá jako součet všech odporů.
nRRRR ...21
n
kkRR
1
Pozn.: Pro dva stejné rezistory bude výsledná hodnota sériového zapojení dvojnásobná.
7.1.2. Paralelní řazení
DŮLEŽITÉ
Při paralelním řazení dvou rezistorů se převrácená hodnota celkového odporu vypočítá
jako součet převrácených hodnot obou odporů.
32
21
111
RRR
Pozn.: Pro dva stejné rezistory bude výsledná hodnota paralelního zapojení poloviční.
Pouze pro dva rezistory zapojené paralelně platí upravený vztah:
21
21
RR
RRR
Nebo počítáme místo s odpory s vodivostmi (R
G1
), pak platí
21 GGG
Pozn.: Vodivost G je převrácená hodnota elektrického odporu, jednotka je Siemens SG ][ .
Při paralelním řazení více rezistorů se převrácená hodnota celkového odporu vypočítá jako součet
převrácených hodnot všech odporů.
nRRRR
1...
111
21
n
k kRR 1
11
Nebo počítáme místo s odpory s vodivostmi, pak platí
nGGGG ...21
n
kkGG
1
33
POZNÁMKA
Pro rychlou orientaci je vhodné znát, že:
při sériovém zapojení dvou rezistorů o stejné hodnotě odporu je výsledný odpor dvojnásobný ;
při paralelním zapojení dvou rezistorů o stejné hodnotě odporu je výsledný odpor poloviční ;
při sériovém zapojení bude výsledná hodnota vždy větší než největší z nich ;
při paralelním zapojení bude výsledná hodnota vždy menší než nejmenší z nich.
7.1.3. Sérioparalelní řazení
PŘÍKLAD 1
Sérioparalelní zapojení (vlevo originální schéma, vpravo náhradní schéma)
Nejprve vypočítáme hodnotu odporu R23, který vznikne paralelním zapojením R2 a R3.
Použijeme vztah pro paralelní zapojení (dvou rezistorů), tj.
32
3223
RR
RRR
Potom už máme zapojeny sériově dva rezistory R1 a R23 (viz náhradní schéma), celkový odpor
vypočítáme podle pravidel pro sériové zapojení, tj. 231 RRR
PŘÍKLAD 2
Sérioparalelní zapojení (vlevo originální schéma, vpravo náhradní schéma)
V horní větvi jsou dva rezistory zapojeny sériově, proto použijeme vztah pro sériové zapojení, tj.
2112 RRR
Potom už máme dva rezistory zapojeny paralelně (viz náhradní schéma), celkový odpor tedy
vypočítáme podle vztahu 312
312
RR
RRR
34
PŘÍKLAD 3
Sérioparalelní zapojení (vlevo originální schéma, vpravo náhradní schéma)
V horní větvi jsou dva rezistory zapojeny sériově, tj. 2112 RRR , v dolní větvi jsou dva rezistory
zapojeny sériově, tj. 4334 RRR
Nyní máme dva rezistory zapojeny paralelně (viz náhradní schéma), výsledná hodnota odporu je tedy
3412
3412
RR
RRR
7.2. Střídavé obvody
Ve střídavých obvodech nahrazujeme pojem elektrický odpor R vhodnější veličinou, tzv. impedancí Z.
Obě veličiny mají stejnou jednotku, ohm.
][R , ][Z
Ve střídavých obvodech platí (modifikovaný) Ohmův zákon.
I
UZ , IZU ,
Z
UI
Impedance má dvě složky:
činnou R – elektrický odpor, ][R
jalovou X – reaktance, ][X
Připomeňme si, že:
impedance rezistoru RZR ;
impedance cívky LLfXZ LL 2 ;
impedance kondenzátoru CCf
XZ CC
1
2
1;
35
admitance je převrácenou hodnotou impedance Z
Y1
;
admitance se s výhodou používá při řešení paralelních zapojení součástek v obvodu.
36
7.2.1. Sériové řazení
Obr.9.2.1 – Sériové zapojení součástek (R, L, C)
Výpočet velikosti impedance (pomocí R, X)
Součástky jsou řazeny sériově, jejich impedance sčítáme (pozor, musíme použít vektorový součet).
2222 )( CLLCR XXRZZZ
22 )1
(C
LRZ
Výpočet fázového posunu (pomocí R, X)
Známe-li výslednou reaktanci v obvodu (X = XL -XC) a odpor R, můžeme vypočítat fázový posun mezi
napětím a proudem.
R
Xtg ,
Z
Rcos
Nebo použijeme fázorové diagramy napětí a proudů. Součástky jsou zapojeny sériově, prochází jimi
tedy stejný proud.
Fázor proudu I umístíme na osu x; na stejné ose bude ležet i fázor napětí na rezistoru UR. Fázor napětí
na cívce UL bude na kladné části osy y, fázor napětí na kondenzátoru UC bude na záporné části osy y.
37
Obr.9.2.2. – Sériové zapojení součástek R, L, C:
fázorový diagram napětí a proudů
Nejprve sečteme fázory napětí UL a UC, dostaneme výsledný fázor ULC (ULC = UL – UC).
Obr.9.2.3. – Sériové zapojení součástek R, L, C:
fázorový diagram napětí a proudů; součet fázorů UL
a UC
Sečteme fázor napětí UR, a fázor ULC (vektorový součet),
38
obr.9.2.4. – Sériové zapojení součástek R, L, C:
fázorový diagram napětí a proudů; součet fázorů UR ULC
Velikost fázoru U = URLC je dána Pythagorovou větou:
22
LCRRLC UUUU 22
)( CLRRLC UUUUU
Z Ohmova zákona pro střídavé obvody dopočítáme velikost celkové impedance Z:
I
UZ
Určíme fázový posun mezi proudem a napětím:
R
LC
U
Utg
U
URcos
7.2.2. Paralelní řazení
39
Obr.9.2.5. – Paralelní zapojení součástek (R, L, C)
Protože se jedná o paralelní řazení (tří součástek), nebudeme počítat s impedancemi, ale s admitancemi,
opět použijeme vektorový součet, tj.
22)( CLR YYYY
Impedance je převrácená hodnota admitance, tj. výsledná impedance obvodu je:
22)(
11
CLR YYYYZ
Nebo použijeme fázorové diagramy napětí a proudů. Součástky jsou zapojeny paralelně, je na nich
stejné napětí.
Fázor napětí U umístíme na osu x; na stejné ose bude ležet i fázor proudu tekoucího rezistorem IR. Fázor
proudu tekoucího cívkou IL bude na záporné části osy y, fázor proudu tekoucího kondenzátorem IC bude
na záporné části osy y.
obr.9.2.6.– Paralelní zapojení součástek (R, L, C):
fázorový diagram napětí a proudů
Vektorově sečteme nejprve IL a IC, jejich výsledek ILC sečteme s IR a dostaneme výsledný proud
obvodem I.
40
obr.9.2.7. – Paralelní zapojení součástek (R, L, C):
fázorový diagram napětí a proudů, součet fázorů proudu
Obr.9.2.8.– Paralelní zapojení součástek (R, L, C):
fázorový diagram napětí a proudů, výsledný fázor proudu
Velikost fázoru I = IRLC je dána Pythagorovou větou:
22
LCRRLC IIII
22)( LCRRLC IIIII
Z Ohmova zákona pro střídavé obvody dopočítáme velikost celkové impedance Z:
I
UZ
41
Určíme fázový posun mezi proudem a napětím:
R
LC
I
Itg
I
IRcos
7.2.3. Sérioparalelní řazení
obr. 9.2.9. – Sérioparalelní zapojení součástek (R, L, C)
K rezistoru je sériově zapojena paralelní kombinace cívky a kondenzátoru.
Nejprve vyřešíme paralelní kombinaci LC:
Protože jde o paralelní zapojení, použijeme admitanci Y:
2)( CLLC YYY
Impedanci ZLC dostaneme jako převrácenou hodnotu admitance YLC, tj.
2)(
11
CLLC
LC
YYYZ
Tato paralelní kombinace cívky a kondenzátoru je zapojena k rezistoru sériově, tj. výsledná impedance
obvodu je:
2222LCLCR XRZZZ
42
7.3. Kirchhoffovy zákony Jedná se o dva zákony, které jsou důležité pro řešení obvodů. Používají některé termíny z teorie obvodů,
které je dobré si osvěžit.
DŮLEŽITÉ
Uzel je takové místo v obvodu, kde se stýkají dva nebo více vodičů. Uzel se znázorňuje
ve schématu větší tečkou.
Větev je část obvodu mezi dvěma uzly, ve které je zapojena jedna nebo více součástek.
Uzavřená smyčka je uzavřená dráha v obvodu, tvořená dvěma nebo více větvemi.
7.3.1. První Kirchhoffův zákon (proud v uzlu)
DŮLEŽITÉ
Elektrický proud je náboj v pohybu, nikde se nehromadí, nevzniká ani nezaniká. První Kirchhoffův
zákon je vlastně vyjádřením zákona zachování elektrického náboje.
Algebraický součet všech proudů v uzlu se rovná nule, 01
n
kkI
Obr. 9.3.1. – Proudy v uzlu (ilustrace I. Kirch. zákona)
Pro tento uzel lze zapsat rovnici podle prvního Kirchhoffova zákona dvěma způsoby:
04321 IIII
Proudy přitékající do uzlu píšeme s kladným znaménkem (+), proudy vytékající se záporným
znaménkem (–), celý součet je roven nule.
2431 IIII
Součet proudů vtékajících do uzlu se rovná součtu proudů vytékajících z uzlu.
43
7.3.2. Druhý Kirchhoffův zákon (napětí ve smyčce)
DŮLEŽITÉ
Druhý Kirchhoffův zákon je vyjádřením zákona zachování energie. Součet úbytků napětí na
spotřebičích se v uzavřené části obvodu (smyčce) rovná součtu elektromotorických napětí zdrojů v této
části obvodu.
Algebraický součet napětí v uzavřené smyčce je roven nule, 01
n
kkU
Obr. 9.3.2.– Smyčky v obvodu (ilustrace II. Kirch. zákona)
Obr. 9.3.3. – Napětí ve smyčkách (ilustrace II. Kirch. zákona)
Zvolíme si směr procházení uzavřenou smyčkou, např. zleva doprava. Pokud je napěťová šipka
orientována shodně se směrem procházení, přísluší takovému napětí kladné znaménko (+), pokud je
orientace napěťové šipky opačná, než je směr procházení, přísluší takovému napětí záporné znaménko
(–).
Zvolíme si směr procházení zleva doprava. V první smyčce je napětí UR1 orientováno shodně se směrem
procházení, napětí UR2 také shodně, napětí UR3 také shodně (všechna tedy budou mít v rovnici kladné
znaménko), ale napětí zdroje má opačnou orientaci (v rovnici bude mít znaménko záporné).
Pro první smyčku sestavíme rovnici podle druhého Kirchhoffova zákona:
44
0321 RRR UUUU
Pro druhou smyčku sestavíme rovnici podle druhého Kirchhoffova zákona:
0543 RRR UUU
7.4. Kontrolní otázky
Stejnosměrné obvody
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Při jakém zapojení součástek sčítáme vodivosti?
Odpověď: Vodivosti sčítáme při paralelním zapojení součástek
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Vysvětlete pojem serioparalelní řazení součástek.
Odpověď: Jedná se o takové zapojení, které kombinuje jak sériové řazení, tak i paralelní řazení
součástek.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Dochází u stejnosměrných obvodů k fázovému posunu mezi napětím a proudem?
Odpověď: Ne. Stejnosměrné obvody mají napětí i proud stejnosměrné; z fyzikální podstaty ani není
možné mezi nimi definovat fázový posun.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Tento vzorec nRRRR
1...
111
21
platí pro jaký typ zapojení a pro kolik součástek?
Odpověď: Uvedený vzorec platí pro paralelní zapojení více než dvou rezistorů.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Nakreslete náhradní obvod pro toto serioparalelní zapojení.
Odpověď: Náhradní obvod:
45
Střídavé obvody
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Jakým termínem označujeme místo v obvodu, kde se stýkají dva nebo více vodičů?
Odpověď: Jedná se o uzel.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Čeho se týká Druhý Kirchhoffův zákon?
Odpověď: Druhý Kirchhoffův zákon je vyjádřením zákona zachování energie. Týká se napětí
v uzavřené smyčce.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Nakreslete fázorový diagram napětí a proudů pro toto zapojení:
Odpověď: fázorový diagram napětí a proudů
46
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Vysvětlete veličiny ve vzorci:
Odpověď: X je reaktance, R je elektrický odpor, φ je fázový posun mezi napětím a proudem.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Pro jaké zapojení (nakreslete) bude platit následující vzorec?
I = I RLC = I R
2 + IC - I L( )2
Odpověď: Jedná se o paralelní zapojení RLC:
R
Xtg
47
8. Základní elektronické součástky
a materiály v praxi Součástky rozdělujeme podle několika hledisek. Podle funkce dělíme elektronické součástky na tři
skupiny:
aktivní součástky
pasivní součástky
konstrukční a pomocné materiály
DŮLEŽITÉ
Aktivní součástky jsou prvky, jejichž elektrické vlastnosti (odpor, kapacita, přenosové vlastnosti aj.)
jsou proměnné a řiditelné změnou napětí nebo proudu přivedeného na jejich vývody. Sem řadíme
zdroje, elektronky, tranzistory, operační zesilovače a některé druhy diod.
Pasivní součástky mají elektrické vlastnosti stálé a nezávislé na přiváděném napětí nebo proudu. Jsou
to např. rezistory, kondenzátory, cívky, potenciometry atd.
Konstrukční součástky se uplatňují v elektronickém zařízení buď funkcí čistě mechanickou (skříně,
kostry, panely, ovládací knoflíky aj.), nebo funkcí elektromechanickou (spínače, přepínače, desky
s plošnými spoji, konektory, svorkovnice), nebo mohou plnit funkci elektroakustických nebo
elektromechanických měničů (reproduktory, mikrofony, relé, motorky apod.).
Mezi pomocné materiály zahrnujeme pájecí prostředky (cín, kalafunu), zakapávací a impregnační laky,
různé vosky aj.
Jednotlivým součástkám se také říká diskrétní. Jejich opakem jsou složené celky, jako hybridní
(smíšené) a integrované obvody.
Dalším důležitým hlediskem je linearita prvku. Prvek (součástka) je lineární, jestliže je závislost proudu
na napětí na prvku přímková. Lineárními prvky jsou rezistor, kondenzátor a cívka.
Dalším hlediskem je kmitočtová závislost prvku.
Podle počtu vývodů rozdělujeme součástky na dvojpóly (jednobrany) a vícepóly. Při řešení teorie
obvodů má velký význam čtyřpól s dvojicí vstupních a výstupních svorek – dvojbran. U trojpólu,
kterým je např. tranzistor, se jedna svorka zdvojuje, aby bylo možné pro řešení obvodů použít teorii
dvojbranů.
8.1. Rezistory
8.1.1. Měření rezistorů
V běžném provozu k měření velikosti odporu používáme univerzální měřicí přístroj. Při kontrole odporu
rezistorů v zařízení je nutné odpojit jeden vývod. Při kontrole zařízení pod napětím obvykle měříme
úbytek napětí na rezistoru a usuzujeme, zda je funkční (není přerušen).
48
8.1.2. Montáž rezistorů
Před montáží si vlastní rezistor připravíme, vytvarujeme jeho vývody
tak, aby po zapájení byla hodnota odporu čitelná, a můžeme
překontrolovat velikost odporu. Poté rezistor zasuneme do desky,
zkrátíme a případně zahneme vývody a zapájíme. Pokud rezistor neleží
přímo na desce, musíme upravit nebo podložit vývody tak, aby se nedaly vnějším tlakem posunout
směrem do desky (ke spoji). Mohlo by pak dojít k odtržení fólie. Velmi hmotné rezistory se neupevňují
přímo za vývody. Součástí rezistoru je držák, který rezistor mechanicky uchytí.
DŮLEŽITÉ
Rezistor na desce se montuje většinou přímo na základnu desky. Vývody musí být pravoúhle ohnuté
a musí ležet v ose odporu.
Výkonový rezistor, u něhož se předpokládá zvýšená teplota povrchu,
která by mohla nepříznivě působit na laminát DPS, se montuje
oddáleně. Na vývodech musí být vytvořeny krepy (ohyby), které
zabraňují posunu vývodů do otvoru. Někdy se takto montují všechny
rezistory.
V prostředí s otřesy nejsou krepy vhodné. Vlivem chvění může dojít
k vibraci odporů a tím i přerušení vývodu. V takovém případě
použijeme keramické korálky nasunuté na vývody. Je možné použít
i více korálků u rezistorů větších průměrů.
Při montáži na stojato se nesmí rezistor zasunout na doraz
k plošnému spoji. Mezi spojem a tělem rezistoru musí být malá
mezera, nejméně 1mm. Svislý vývod musí být rovnoběžný se stěnou
součástky. Tento vývod není vhodné nastavovat drátem.
V prostředí s otřesy se hmotnější součástky montují s pomocí
podložky. Nejvhodnější je opět keramický korálek. Podložka
zabraňuje ohybům a vibracím součástky.
Potenciometry se nemohou montovat do spojů bez držáku, protože vývody potenciometrů nejsou určeny
k mechanickému upevnění součástky. Odporové trimry se pájí obvykle přímo do spoje. Není vhodné
vývody trimrů dodatečně tvarovat, může dojít k poškození součástky. Při pájení těchto součástek se
musí postupovat s určitou opatrností, aby nedošlo k zatečení tavidla (kalafuny) dovnitř součástky nebo
na otevřenou odporovou dráhu.
8.2. Kondenzátory
49
8.2.1. Měření kondenzátorů
Pro měření kapacity se v praxi nejčastěji používají kvalitnější univerzální měřicí přístroje nebo
jednoúčelové měřiče kapacity. U elektrolytických kondenzátorů se také často měří zbytkový proud,
který prochází jejich elektrodami po připojení stejnosměrného napětí. Pro toto měření se využívají
jednoúčelové měřiče zbytkového proudu. Je nutno zdůraznit, že zvýšený zbytkový proud u nekvalitních
elektrolytických kondenzátorů je častou příčinou poruch elektronických zařízení.
8.2.2. Montáž kondenzátorů
Malé kondenzátory se montují na desky plošných spojů pomocí vývodů, u velkých elektrolytických se
používají upevňovací konstrukce. Při montáži kondenzátorů si musíme dávat pozor na dobu pájení, teplo
může kondenzátor poškodit. U elektrolytických a tantalových kondenzátorů je nutné dodržet polaritu,
mají kladný a záporný pól. Záporný pól je vždy na kostře (obalu) kondenzátoru, kladný na vývodu
z průchodky.
Keramický kondenzátor se běžně osazuje tak, aby neležel na desce
spoje (při naklonění kondenzátoru by se mohl zlomit). Vývody musí
vyčnívat nejvýše 3 mm z desky. Při ohřátí se na povrchu keramiky
objeví impregnační hmota. Tu nestíráme, po vychladnutí vsákne zpět.
Při delším zahřívání se mohou uvolnit vývody. Kondenzátor je křehký,
nesnese hrubé zacházení.
DŮLEŽITÉ
Keramický kondenzátor ve vysokofrekvenčních
obvodech se osazuje tak, aby měl co nejkratší
přívody. Běžně se zasune do desky na doraz. Při
této montáži se nemůže kondenzátor naklánět,
může se snadno zlomit.
Keramický kondenzátor s vymezením vůle pomocí krepů na vývodech
– takto jsou pájecí plošky chráněny proti odtržení při tlaku na
kondenzátor.
Svitkový kondenzátor s osovými (radiálními) vývody při běžné
montáži – montuje se přímo na podložku tak, aby hodnota byla
čitelná. Při delším pájení a krátkých vývodech se může kondenzátor
poškodit. Oválné kondenzátory se většinou montují s delší osou
kolmo na desku, uspoří se tím místo. Vývody se ohýbají kolmo a až
100j
Hn
100j
Hn
100j
Hn
50
do místa ohybu musí běžet v ose kondenzátoru. Ohyby nesmí být přímo u pouzdra.
Při montáži svitkového kondenzátoru na stojatě nesmí kondenzátor dosednout až na spoj. Při vychýlení
kondenzátoru by mohlo dojít k vytržení vývodů. Naopak axiální provedení (s vývody na jedné straně) se
může osadit těsně na desku, má totiž zesílené vývody. Svislý vývod je rovnoběžný s osou pouzdra.
U radiálního provedení můžeme použít podložku podobně jako u elektrolytického kondenzátoru.
Elektrolytický kondenzátor při běžné montáži se osazuje přímo na
desku. Při montáži musíme dávat pozor na polaritu kondenzátoru.
Při nesprávném zapojení teče kondenzátorem velký proud, který
kondenzátor ohřívá. Pak se může kondenzátor tlakem roztrhnout.
Podobně při pájení nesmíme kondenzátor přehřát. Vývody
kondenzátoru se nesmí ohýbat bezprostředně u pouzdra a u zesíleného anodového vývodu. Minimální
vzdálenost ohybu je 3 až 5 mm.
Elektrolytický kondenzátor se nesmí při svislé montáži osazovat na
doraz. Při naklonění kondenzátoru by mohlo dojít k utržení vývodu.
Kladný pól se osazuje dolů, pak nehrozí při ohnutí svislého vývodu
zkrat. Svislý vývod se vede rovnoběžně s pouzdrem. Velké
kondenzátory se tímto způsobem nesmí montovat.
Kondenzátory s axiálními vývody, určené pro svislou montáž, se
vždy osazují na doraz k desce. Zabrání se tím pohybům
kondenzátoru. Větší kondenzátory se připevňují držáky, které je
mechanicky upevní. Při osazování se nejdříve kondenzátor
upevní a pak zapájí. Při výměně se postupuje obráceně.
Kondenzátorové trimry a ladící kondenzátory se osazují podobně
jako odporové. Pokud používáme kondenzátory
s polyetylénovou izolací mezi vývody, musí být při jakémkoliv pájení na vývodech kondenzátoru
nastavené desky tak, aby ležely na sobě – kondenzátor je v poloze s maximální kapacitou. Jenom
v tomto případě je snížena možnost poškození izolace, ale i tak může při dlouhodobém ohřevu dojít
k jejímu porušení. U vzduchových kondenzátorů je tento postup také vhodný, sníží se tím možnost
deformace desek. Při pájení a čištění desky nesmí zatéci tavidlo a čisticí prostředek dovnitř
kondenzátoru.
8.3. Cívky, tlumivky a transformátory
8.3.1. Montáž cívek, tlumivek a transformátorů
V současnosti se průmyslově vyrábějí malé cívky, pouzdřené podobně jako odpory, a osazují se
podobně. Cívky malých hodnot, s několika závity, se vinou většinou samonosně na pevný průměr. Větší
hodnoty, nebo laditelné cívky, se vinou na kostřičky s vnitřním závitem pro ladící jádro. Největší
hodnoty indukčnosti se vinou na feritová, nejčastěji hrníčková jádra. Malé cívky jsou upevněny za
vývody. Větší cívky se upevňují šrouby nebo stahovací konstrukcí. Veškeré materiály použité pro
10/16V
51
montáž cívek musí být nemagnetické. Železné prvky v upevňovací konstrukci mohou mít vliv na
výslednou indukčnost cívky.
Před čištěním desky musíte zkontrolovat, zda použité čisticí přípravky nerozpouští izolaci cívek nebo
materiál kostřiček. Kostřičky jsou vyráběny většinou z termoplastů, proto pozor při pájení. U cívek
s dolaďovacími jádry si dáme pozor, aby tavidla a ochranné laky nezatekly do cívky a neznehybnily
jádro.
Vzduchové cívky se pájí přímo do
spoje. Při pájení postupujeme opatrně,
abychom cívku nezdeformovali. Pozor
na orientaci cívek – vinou se
levotočivé a pravotočivé. V některých
aplikacích může záležet na směru
vinutí. Cívka zobrazená jako první je
levotočivá a cívka zobrazená jako druhá je pravotočivá. Vždy si pomyslně zkuste do cívky zašroubovat
šroub. Ta cívka, do které by se šroub natáčel, je pravotočivá. Samonosné cívky se obvykle nemontují
svisle. Po osazení a zapájení je v některých případech vhodné cívku znehybnit například silikonovým
tmelem, aby se při otřesech neměnily mechanické rozměry a tím i indukčnost cívky.
Větší cívky se vinou do feritových hrníčkových jader. Jádra jsou
křehká a při malém úderu prasknou. Při montáži cívky musíme
použít šroub, podložky a matku z mosazi. Železo by mohlo
nepříznivě ovlivnit indukčnost jádra. Při montáži nesmí ležet
kovové části přímo na feritové hmotě. Používáme pružné podložky
(guma, papírová lepenka apod.).
Tyto pružné podložky se vkládají mezi kovovou podložku a ferit
a mezi ferit a desku spoje. Před dotažením zkontrolujeme polohu otvorů v obou polovinách hrnečkového
jádra. Otvory musí ležet přesně na sobě. Při dotažení musíme postupovat opatrně. Příliš velká síla může
způsobit prasknutí hrnečku. Po dotažení můžeme vývody zapájet do spoje.
Průmyslově vyráběné malé napájecí transformátory stačí zapájet za vývody, větší musí být upevněny
šrouby.
8.4. Diody, tranzistory a tyristory Polovodičová dioda (usměrňovací) je součástka, která propouští proud pouze v jednom směru. Aby
vůbec došlo k otevření diody, musíme nejprve překonat tzv. prahové napětí (asi 0,6 V) Zbytkový proud
v závěrném směru lze většinou zanedbat. S rostoucí teplotou závěrný proud narůstá. Reálnou diodu lze
napěťově namáhat jen do určitého napětí a potom může nastat průraz (zda bude destruktivní nebo
nedestruktivní, záleží na velikosti výkonu, který se na přechodu změní v teplo – především tedy na
velikosti procházejícího proudu diodou).
Nejčastější použití diod je jejich využití pro usměrnění střídavého proudu:
Pro usměrňování nevýkonných signálů se používají diody pro všeobecné použití.
Pro stabilizaci se používají stabilizační diody (Zenerovy diody).
Pro ladění rezonančních obvodů se používají kapacitní diody (varikap).
V generátorech velmi vysokých kmitočtů se používají tunelové diody vyznačující se v určité
části své charakteristiky záporným diferenciálním odporem.
Fotodiody využívají toho, že polovodičový přechod je citlivý na osvětlení.
Luminiscenční diody (LED) při průchodu proudu svítí, protože při rekombinaci páru díra –
elektron se uvolňuje energie ve formě fotonů.
52
Bipolární tranzistor – součástka umožňující malým proudem báze řídit mnohem větší proud
mezi kolektorem a emitorem. Použití tranzistorů je velmi rozmanité. Tranzistor může pracovat
jako zesilovač i jako spínač. Dříve se používaly tranzistory germaniové, dnes většinou
křemíkové. Mohou být typu NPN nebo PNP. Elektrody se nazývají báze, kolektor, emitor.
Tyristor – součástka určená ke spínání – řízená dioda. Po sepnutí nepotřebuje již budící proud.
Triak – oboustranně propustná spínací součástka.
8.4.1. Montáž diod, tranzistorů a tyristorů
Před montáží překontrolujeme pouzdra a upravíme vývody součástky. Vývod nikdy neohýbáme
v blízkosti pouzdra, ale nejméně 2 mm od něho. Všechny polovodičové součástky jsou citlivé na teplo.
Pájíme krátce (nejdéle 3 až 5 sekund). Některé tranzistory jsou citlivé na elektrostatické nebo
magnetické pole. Všechny polovodičové součástky se při provozu zahřívají. Běžná pouzdra odvádějí
teplo ze systému vyzařováním do okolí z povrchu součástky a vedením tepla po vývodech. Součástky
s větším výkonem se opatřují chladiči – nejčastěji z hliníkových profilů. Pokud jsou chladiče hmotnější,
musí být upevněné na spoji, není přípustné upevnění pouze na pouzdrech součástek. Při montáži
součástky s chladičem se nejprve upevňuje chladič a teprve po mechanickém připevnění se zapájí
vývody. Po zapájení už není vhodné chladič odmontovat. Protože je většinou kovové pouzdro spojeno
s některým vývodem součástky, používají se při montáži na společný chladič izolační podložky. Pořadí
vývodů součástek je určeno pomocí klíče – výstupku, rovné plochy, zesíleného vývodu apod. Při
určování vývodů musíme používat katalog, protože zapojení součástky se může lišit podle typu.
Válcové skleněné pouzdro DO35 je určeno pro pouzdření malých diod.
Vývody pouzdra se nesmí ohýbat v těsné blízkosti pouzdra (min. 3 mm
od pouzdra). Zkrátit vývod je možné nejvýše na délku 6 mm. Vývod
slouží k odvodu tepla od čipu. U vysokofrekvenčních obvodů je nutné
dodržet minimální délku přívodů.
Válcové plastové pouzdro DO27 je určeno pro pouzdření
výkonových diod a diaků. Vývody se smí ohýbat ve vzdálenosti
nejméně 3 mm od pouzdra, jinak může dojít k narušení těsnosti
součástky. Odvod ztrátového tepla z čipu se provádí pomocí
vývodů součástky. Pokud nejsou připájeny na dostatečně velkou
plochu spoje, doporučuje se pro větší proudy nechávat delší
vývody. Zlepší se tím přenos tepla z vývodu do okolí. Vzhledem k masívnosti vývodů musíme při pájení
této součástky použít dostatečně výkonnou páječku. Doba ohřevu spoje musí být co nejkratší
a doporučuje se sevřít vývod mezi místem pájení a součástkou do masivních čelistí kleští. Pájet je
povoleno minimálně 5 mm od pouzdra.
Součástka v plastovém pouzdře TO92 se může při osazování do desky
zasunout nejvýše k výstupku na vývodu. Pokud potřebujeme vývody
vytvarovat, nesmí se vývod ohýbat mezi pouzdrem a tímto
výstupkem. Po zapájení pouzdro součástky nenakláníme, vývody se
mohou odlomit.
53
Součástka v kovovém pouzdře TO5 (malé kovové, tři vývody),
TO18 (velké kovové, tři vývody) se může ve
vysokofrekvenčních obvodech osadit tak, že pouzdro dosedne na
podložku. Běžně se osazuje s mezerou 3 až 5 mm (v některých
případech i více). Při montáži je vhodné opatřit všechny vývody
krepy. Na tyto typy pouzder se mohou použít lehké žebrované
chladiče, které mohou být upevněny pouze na pouzdře
součástky. Pozor, v některých případech bývá některý z vývodů
propojen s povrchem pouzdra. Podobně se osazují součástky v pouzdrech TO72 (malé kovové, čtyři
vývody) a TO77 (velké kovové, šest vývodů). Tvarování vývodů je možné až v určité vzdálenosti od
pouzdra (3 až 5mm). Při ohybu těsně u zálivky hrozí ulomení vývodu nebo porušení těsnosti pouzdra.
Součástka v pouzdře TO90 (malé ploché, tři vývody) nebo TO50
(malé ploché, čtyři vývody) se montuje tak, aby plochou dosedla
přímo na desku. V těchto pouzdrech jsou pouzdřeny většinou
vysokofrekvenční součástky, proto je nutné používat co nejkratší
přívody.
Součástka v pouzdře TO126 je určena pro střední výkony. Při montáži bez
chladiče ji pájíme přímo do desky. Vzdálenost mezi pouzdrem a deskou
bývá od 5 do 8 mm. Pozor – prostřední vývod může být spojený s chladicí
plochou.
8.5. Montáž integrovaných obvodů
Integrované obvody pro normální montáž se pouzdří do několika typů pouzder. Pro analogové obvody
se používají pouzdra kovová s osmi až dvanácti vývody, pouzdra plastová DIL s šesti až čtyřiadvaceti
vývody a jednořadá plastová, s možností montáže na chladič (například PENTAWATT). Pro obvody
číslicové se používají pouzdra DIL (dvouřadá) se čtrnácti až čtyřiceti vývody. Pro velmi složité číslicové
obvody se používají pouzdra PGA,
která mohou mít až 256 vývodů
v několika řadách.
Vývody na kovových pouzdrech
se počítají při pohledu zdola (od
vývodů) od klíče po směru
hodinových ručiček. Pouzdra mají
různá označení podle počtu
vývodů a velikosti pouzdra. Asi
nejpoužívanější jsou TO8 s osmi vývody, TO12 se čtyřmi vývody, TO77 s osmi vývody, TO74 s deseti
vývody a TO73 s dvanácti vývody.
Vývody na DIL (Dual In Line, můžeme se setkat s názvem DIP – Dual In Pine) pouzdrech se počítají
shora vlevo od klíče proti směru hodinových ručiček. Klíčem může být buď kruhový prolis, nebo oválný
zářez na hraně pouzdra. Používají se pouzdra DIL6, DIL8, DIL14, DIL16, DIL18, DIL24, DIL28,
DIL40 (číslo určuje počet vývodů).
54
Při montáži kovových pouzder postupujeme obdobně jako při montáži tranzistorů. Není dovoleno
ohýbat vývody v těsné blízkosti pouzdra (min. 3 až 5 mm od pouzdra). Součástka se běžně montuje ve
vzdálenosti 5 až 8 mm od desky spoje. Pokud provádíme fixaci pomocí krepů, vytvoříme dva na
protilehlých vývodech. Při montáži je možné použít montážní podložku. Po zasunutí vývodů do desky
zapájíme nejprve jeden vývod, součástku vyrovnáme a zapájíme vývod protilehlý. Po kontrole osazení
zapájíme i ostatní vývody.
Montáž DIL pouzdra zahájíme vyrovnáním vývodů součástky
pomocí plochých kleští. Po vytvarování vývodů zasuneme
součástku do desky spojů. Vývody se musí zasunout tak, aby se
rozšiřující část vývodu dotkla desky spojů. Pouzdro nesmí
dosednout na desku, musí být pod ním mezera. Po zasunutí
součástky a kontrole vývodů zapájíme nejprve dva protilehlé diagonální vývody. Znovu
překontrolujeme osazení a zapájíme ostatní. Při pájení se doporučuje pájet Každý druhý vývod, sníží se
tím tepelné zatížení součástky. Při pájení delších pouzder se musíme vyvarovat prohýbání a zkroucení
desky, mohlo by dojít k zlomení pouzdra nebo vytržení zapájeného vývodu. Keramická pouzdra jsou
citlivá na tepelné zatížení, mohou se při delším prohřívání rozlomit. Při montáži dlouhých pouzder
různých výrobců se setkáme s dalším problémem. Američtí a asijští výrobci používají palcový systém –
rozteč vývodů je 2,54 mm (1/10"), evropští výrobci systém metrický – rozteč vývodů je 2,5 mm. Tak se
stane, že při montáži pouzder DIL40 zjistíme nesouhlas roztečí vývodů metrické desky a palcového IO
o 0,8 mm a jsme nuceni vývody podélně naklonit. Zvláštní pozor si musíme dát při posazování do patic.
Musíme použít dva typy patic – s palcovou a metrickou roztečí. U kratších pouzder odchylka nevadí.
Kromě integrovaných obvodů s vývody v rozteči 2,5 mm (2,54 mm) se vyrábějí obvody v podobných
pouzdrech s roztečí 1,25 mm (1,28 mm). Jsou určeny pro montáž do malých přenosných zařízení.
V současnosti jsou vytlačeny součástkami v pouzdrech SMT.
8.6. Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Podle funkce dělíme elektronické součástky na tři skupiny, vyjmenujte je a popište jejich
hlavní rysy.
Odpověď:
Aktivní součástky – jejich elektrické vlastnosti jsou proměnné a řiditelné změnou napětí nebo proudu.
Pasivní součástky – mají elektrické vlastnosti stálé a nezávislé na přiváděném napětí nebo proudu.
Konstrukční součástky – uplatňují se v elektronickém zařízení buď funkcí čistě mechanickou nebo
funkcí elektromechanickou, nebo mohou plnit funkci elektroakustických nebo elektromechanických
měničů.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Jak provádíme montáž rezistoru na desku plošného spoje?
Odpověď: Rezistor na desce se montuje většinou přímo na základnu desky. Vývody musí být
pravoúhle ohnuté a musí ležet v ose odporu.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Jak provádíme montáž keramického kondenzátoru jde-li o vysokofrekvenční obvod?
Odpověď: Keramický kondenzátor ve vysokofrekvenčních obvodech se osazuje tak, aby měl co
nejkratší přívody. Běžně se zasune do desky na doraz. Při této montáži se nemůže kondenzátor
55
naklánět, může se snadno zlomit.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Polovodičové součástky jsou citlivé na teplo, jak nejdéle můžeme pájet jejich vývody?
Odpověď: Pájíme krátce, nejdéle 3 až 5 sekund.
56
9. Pájení v elektrotechnice
DŮLEŽITÉ
Pájení v elektrotechnice a v elektronice se používá pro připojování a spojování vodičů, pro úpravy
konců vodičů a pro úpravu povrchů připojovaných míst. Pro dobře provedený pájený spoj musíme mít
náležité vybavení.
9.1. Pájedlo
POZOR
Je to nástroj pro pájení, podle velikosti pájených předmětů musíme použít odpovídající výkon pájedla.
9.2. Pájka
POZOR
Je slitinou cínu a olova s příměsí jiných kovů. Podle použití musíme mít vhodný typ pájky.
Pájky se dodávají ve tvaru tyčí nebo drátů různých průměrů. Podle prováděné práce zvolíme tvar a typ
pájky. Používané pájky jsou běžnými slitinami cínu a olova. Podle dodatečných příměsí můžeme použít
pájky s mírně odlišnými vlastnostmi. Pokud pájka působí na kov dlouho (v roztaveném stavu), kov se
rozpouští v pájce a mění její vlastnosti. Zvlášť nepříznivě působí zlato, které způsobuje křehnutí pájky.
Proto není vhodné používat už jednou přetavenou pájku. Trubičkové pájky obsahují různá tavidla, která
usnadňují pájení – nemusíme tavidlo do spoje přidávat zvlášť.
9.2.1. Typy pájek
Sn40Pb60
Běžná měkká pájka pro všeobecné použití. Teplota tavení je 183–238 °C.
Sn60Pb40
Kvalitní měkká pájka pro náročné pájení. Teplota tavení je 183 až 212 °C.
Sn62Cu1
57
Pájka se řízeným obsahem mědi (eutektická). Obsah mědi zabraňuje rozpouštění měděných součástí
v pájce. Je vhodná na tenké dráty, poměděné povrchy desek plošných spojů, a pro fólie. Je ideální pro
zabránění rychlé tvorby děr u měděných hrotů páječek. Není vhodná pro poželezněné hroty. Teplota tání
činí 183 °C.
Sn62Ag1
Pájka s přídavkem stříbra. Používá se na pájení postříbřených a pozlacených součástek. Lze s ní pájet
postříbřenou keramiku a povrchy. Teplota tavení je 183°C.
Sn63Pb37
Měkká pájka pro náročné aplikace v elektronice. Je vhodná pro dobře pájitelné součástky. Teplota
tavení činí 183 °C.
Sn19Ag19
Pájka vhodná pro pájení hliníkových vývodů, slabých hliníkových plechů, fólií a hliníkem pokovených
povrchů. Teplota tavení je 176–275°C.
Sn32Pb48Bi
Kvalitní pájka určená pro pájení spojů a součástek citlivých na teplotu. Pro pájení spojů v blízkosti
předem zapájeného spoje. Tato pájka nahrazuje kadmiovou pájku. Teplota tavení je 140–160°C.
Trubičkové pájky
Jsou plněny tavidly. Nejběžnějším je kalafuna. Vhodnější jsou pájky plněné tavidly MLT408, MLT888,
L3.
Sn62RM89AAS85
Pájecí pasta. Je to pasta z tavidla se zamíchanými kuličkami pájky. Nanese se na pájené místo a ohřeje
horkým vzduchem nebo infračerveným zářením.
9.3. Pájedla
9.3.1. Transformátorové pájedlo
Pistolová páječka – je stále oblíbená pro svoji pohotovost. Používá se pro pájení malých dílů. Pro
elektroniku je vhodnější pájka o 75 W důvodem je menší hmotnost. V současné době ji nelze používat
pro opravy a pájení na nejnovějších zařízeních.
9.3.2. Odporová pájedla
Vyrábějí se s různými výkony (75 až 500 W) a používají se na hrubé pájení větších dílů.
58
9.3.3. Odporová regulovaná pájedla
Páječky s regulací teploty hrotu. Jsou vhodná pro elektronické aplikace (opravy a pájení součástek), pro
součástky v klasické montáži je vhodný výkon asi 60 až 80 W, pro SMT aplikace stačí 15–30 W.
Klasická nejsou vhodná pro opravy a průmyslové pájení nejnovějších zařízení.
9.3.4. Pájecí stanice
Zařízení sdružující několik funkcí. Jsou vhodné pro elektroniku. Běžně obsahují regulovanou odporovou
páječku, vyhřívanou odsávačku cínu a horkovzdušnou jehlu.
9.3.5. Cínová lázeň
Jedná se o vytápěnou nádobu s roztaveným cínem. Používá se při hromadném pájení a cínování menších
součástí a vodičů. Vyrábí se v různých velikostech podle určení (i jako přenosná).
DŮLEŽITÉ
Důležitý je topný výkon pájedla. Příliš malý výkon nestačí k prohřátí pájené plochy, příliš velký vede
k přehřátí pájky a její předčasné oxidaci. Teplota hrotu se podle použití musí pohybovat mezi 210 až
350 °C. U odporových pájedel lze velmi hrubě teplotu řídit vysunutím hrotu (čím je hrot více vysunut,
tím je jeho teplota menší), u transformátorových pájedel řídíme teplotu délkou pájecí smyčky (kratší
smyčka = vyšší teplota).
Plynové zdroje se zatím často nepoužívají (jejich teplota se nedá jednoduše řídit).
Před započetím práce pájedlo zkontrolujeme. Znečištěné hroty je nutné očistit (hadříkem, speciální
houbičkou) tak, aby byl povrch hrotu lesklý. Vrstva okují zabraňuje přestupu tepla na pájený předmět.
Po zapnutí do sítě počkáme u odporových pájedel na dosažení potřebné teploty, transformátorovou
páječku můžeme použít okamžitě.
9.4. Tavidla Slouží k očištění pájené plochy a k zamezení oxidace při pájení. Rovněž po roztavení vytvářejí
povrchový film, který zvýší přilnavost pájky k povrchu materiálu. Podle typu pájeného předmětu
a pájky musíme použít vhodné tavidlo.
Tavidla umožňují pájení. Po zahřátí odstraňují oxidy z povrchu spojů. Nedokáže odstranit hrubé nebo
mastné nečistoty. Po zapájení se musí zbytky tavidla ze spojů odstranit.
59
9.5. Typy tavidel
Bezoplachová tavidla
Nechávají pouze malé, elektricky nevodivé zbytky, ale i ty se musí u citlivých elektronických zařízení
odstranit. Spoj se opláchne buď vhodným rozpouštědlem (lihem), o kterém víme, že rozpustí tavidlo, ale
ne okolní citlivé součástky, nebo demineralizovanou vodou (DEMI vodou). Ta neobsahuje soli, které by
způsobovaly elektrickou vodivost. Pro neelektrické aplikace postačuje i voda obyčejná.
Kalafuna
Destilát z pryskyřice borovic, získávaný při výrobě buničiny. Chemicky jde o směs slabých organických
kyselin. Při pokojové teplotě je nerozpustná ve vodě, s vysokým izolačním odporem a netečná vůči
kovům. Taje mezi 60–80 °C, plně tekutá je při 120 °C. V horkém stavu reaguje jako silná kyselina. Má
schopnost rozrušit tenké vrstvy oxidů při teplotách 200 °C za 1 až 2 sekundy. Reakční schopnost
kalafuny ale neodpovídá moderním požadavkům. Proto se přidávají aktivátory a další přísady, které
zvětšují čistící schopnost a zvyšují teplotní odolnost.
Roztok kalafuny v lihu
Je tvořen kalafunou rozpuštěnou v lihu. Do roztoku se pájený předmět namáčí, nebo se s ním potírá.
Elektron
Roztok na bázi kyselin a solí. Je značně žíravý, při zahřátí uvolňuje kyselé výpary. Po zapájení se
zbytky musí ze spoje odstranit opláchnutím. Není vhodný pro pájení elektronických součástek
a citlivých elektrických komponentů. Zbytky tavidla jsou elektricky vodivé.
Eumetol
Pájecí pasta pro pájení znečištěných povrchů – směs kalafuny, syntetických pryskyřic a kyselin. Při
zahřátí uvolňuje kyselé výpary. Po zapájení se zbytky musí ze spoje odstranit opláchnutím. Není vhodný
pro pájení elektronických součástek a citlivých elektrických komponentů. Zbytky tavidla jsou elektricky
vodivé.
„Převařená kyselina“
ZnCl – je často používané tavidlo v klempířské výrobě. Má značné čisticí schopnosti. Po zahřátí
uvolňuje kyselé výpary. Po zapájení se zbytky musí ze spoje odstranit opláchnutím. Není vhodné pro
pájení elektronických součástek a citlivých elektrických komponentů. Zbytky tavidla jsou elektricky
vodivé.
MTL401
Mírně aktivovaná kalafuna. Zbytky po pájení jsou nevodivé. Kyselost tavidla je stejná asi jako
u kalafuny. Vykazuje dobrou roztékavost a neobsahuje halogeny.
MTL408
Určeno pro ruční pájení zoxidovaných kovů a některých dalších slitin s bismutem, pájkami Sn40Pb60,
Sn63Pb30, Sn32Pb48Bi. Patří mezi vysoce účinná tavidla. Lze naředit přípravkem RMTL-64.
MTL451, MTL461B
60
Tavidla bezezbytková s vysokou čistící schopností. Proto stačí malé množství tavidla a zbytky pak není
nutné u běžného použití odstraňovat.
MTL458, MTL468
Bezezbytková tavidla na bázi přírodních a syntetických pryskyřic. Zbytky po pájení jsou nepatrné.
MTL888
Tavidlo určené pro pájku Sn19Ag1,9 pro pájení hliníkových vývodů, plechů, fólií a hliníkem
pokovených povrchů. Povrch pájeného předmětu nejprve očistíme od povrchových nečistot oškrábnutím
(nožem). Bezprostředně naneseme tavidlo a pájíme. Hmotnější kusy hliníku předehřejeme. S použitím
tohoto tavidla lze pájet i slitiny hliníku, ty ale vyžadují větší zručnost. Při pájení hliníku vždy používáme
speciální pájku (Sn19Ag1,9), jinak při použití běžných prostředků nemá spoj trvanlivost. Dbáme také,
aby hrot páječky nebyl znečištěný olověnou pájkou. Při spojování mědi a hliníku nejprve samostatně
přepájíme díly pájkou na hliník a poté je spájíme dohromady. Lze naředit ředidlem RMTL-64.
L3
Bezezbytkové tavidlo určené pro pájení SMT prvků.
X32-10i
Běžné bezoplachové tavidlo pro normální aplikace (strojní, ruční pájení).
X33-06i
Tavidlo pro pájení čisté mědi pro strojní aplikace.
X33-04
Bezoplachové tavidlo pro strojní pájení při extrémních nárocích na čistotu.
ECOSOL
Vodou ředitelné bezoplachové tavidlo pro strojní pájení.
FLUX-PEN
Jakýsi fix s náplní bezoplachového tavidla.
RED JELLY
Pájecí gel.
PROZONE
Představuje vodou nebo alkoholem ředitelný čisticí prostředek na odstranění zbytků tavidel.
9.6. Další přípravky
61
9.6.1. Odsávačka cínu
Zařízení na odstranění zbytků roztavené pájky. Používá se v elektronice při opravách zařízení.
Odsávačky jsou buď ruční (s pístem ovládaným pružinou), nebo s elektrickou vývěvou. Pak mívají
vyhřívaný hrot.
9.6.2. Odsávací knot
Knot tvoří tenké holé měděné lanko napuštěné tavidlem. Přiloží se na spoj a zahřeje. Roztavená pájka je
knotem odsáta.
9.6.3. Horkovzdušná jehla
Jehla je zdrojem úzkého proudu velmi horkého vzduchu. Používá se buď při pájení přetavením k ohřevu
pastových pájek, nebo při čištění součástek. Pájka se horkým vzduchem roztaví a odfoukne.
9.7. Postup při pájení Pájené předměty před zahájením pájení očistíme od zbytků oxidů, rzi a mastnot. Po očištění naneseme
na pájený povrch tavidlo a přiložíme pájedlo. Teprve po rozehřátí předmětu přiložíme pájku, a to do
místa, kde se hrot pájedla dotýká pájeného předmětu. Pájka přestupuje na ohřátý povrch a roztéká se.
Teprve nyní, pokud potřebujeme „ocínovat“ větší plochu, začneme pomalu pohybovat hrotem pájedla
po povrchu předmětu. Hrot musíme posouvat tak pomalu, aby s ním tekutá pájka neztratila kontakt.
Teprve když máme všechny plochy, které budeme spojovat, opájené, položíme předměty na sebe do
potřebné polohy. Pájedlo přemístíme tak, aby spolehlivě ohřívalo celou plochu spoje. Po zahřátí přidáme
do spoje pájku. Když je spoj dobře prohřátý a pájka zatekla dovnitř, pájedlo opatrně oddálíme. Po dobu
chladnutí pájky nesmíme spojem pohnout, ani nesmíme spoj prudce ochlazovat, např. foukáním. Cín
obsažený v pájce by zkrystalizoval a ztratil pevnost. Spoj by nebyl pevný.
Po vychladnutí pájené místo dobře očistíme od zbytků tavidla. Můžeme také odstranit přebytky pájky.
Pájka ve spoji musí být lesklá, bez kráterků a děr se zbytky tavidla. Z povrchu pájky nesmí vyčnívat
žádné hroty ani výstupky. Vrstva pájky musí být co nejtenčí. Přílišná tloušťka nemá dostatečnou
pevnost. Pájka musí zcela pokrýt celé spojované místo.
Spojování pájkou často nezaručuje požadovanou pevnost. Spájené spoje nebývají odolné proti vibracím
a výkyvům teplot. Při mrazech pod -40 °C cín přechází samovolně do práškové formy a rozpadá se.
Pokud potřebujeme mechanickou pevnost, je vhodné pájený spoj kombinovat například s nýtováním. Při
připojování vodičů pájením musíme konce vodičů zajišťovat proti mechanickému uvolnění (omotáním,
ohnutím). Pokud počítáme s pohybem vodiče, musí být upraven tak, aby se pohyb nepřenášel na pájený
spoj.
Při pájení větších počtů vodičů nebo menších předmětů používáme cínové lázně. Jsou to vyhřívané
nádoby, v kterých je roztavená pájka. Pájený předmět očistíme, naneseme na něj tavidlo a ponoříme do
roztavené pájky. Ihned po vyjmutí přebytečnou pájku z předmětu setřeme (bavlněným hadrem)
a necháme pomalu vychladnout. Předmět prudce nezchlazujeme. Po vychladnutí opět odstraníme zbytky
tavidla.
62
9.8. Osazování desek plošných spojů Součástky se na desky plošných spojů připojují pájením. Malé a málo hmotné součástky jsou na desce
mechanicky zajištěny pouze pájením, hmotnější součástky se připevňují pomocí šroubů, nýtů,
zajišťovacích pásků. Velmi hmotné součástky není vhodné montovat přímo na desky spojů, neboť jejich
hmotnost může způsobit prohnutí a tím i poškození desky. Osazené desky se nakonec mohou montovat
do nosných rámů, které mohou desky mechanicky zpevnit.
Vlastní osazování součástek je náročný proces. Předem si musíme rozmyslet pořadí vkládání součástek,
aby větší a rozměrnější součástky nebránily v osazení součástek menších, avšak citlivé součástky se
osazují jako poslední. Při osazování desky se dodržují určitá pravidla a postupy. Některé způsoby
montáže nejsou vhodné na zařízení, která jsou vystavená chvění, jiné způsoby nemusí být vhodné pro
stísněnou montáž. Kromě funkčnosti je nezbytné dbát na dokonalý vzhled zapájené desky. Nedbale
osazená deska je často i po funkční stránce nevyhovující. Zvlášť náročné na kvalitu provedení jsou
desky s vysokofrekvenčními obvody. Elektrické vlastnosti takové desky jsou z velké části určovány
mechanickými rozměry (délky vývodů součástek, vzájemná poloha...). Pro snadnou kontrolu a orientaci
na desce je nutné součástky osazovat tak, aby nápisy byly viditelné. Součástky, u nichž nezáleží na
orientaci pouzdra (odpory, tlumivky, svitkové a keramické kondenzátory apod.), se montují tak, aby na
všech byly nápisy čitelné pouze ve dvou směrech, a to z „dolní“ a „pravé“ strany desky (stejně jako kóty
na technických výkresech). Montáž součástek značených čárovým kódem se provádí podle stejných
zásad.
Vývody součástek se musí pečlivě vytvarovat, ohyby musí být kolmé. Ohyb se neprovádí
v bezprostřední blízkosti pouzdra součástky. Při tvarování jsou povoleny nejvýše dva ohyby o 30 stupňů
(jednou ohnutý vývod už nesmíme přetvarovat). Při manipulaci s vývodem nesmíme poškodit nebo
znečistit povrchovou vrstvu, která je na vývod nanesena výrobcem pro usnadnění pájení vývodu (není
vhodné ani znečištění dotykem ruky). Po vytvarování součástku zasuneme do otvoru v plošném spoji.
U zařízení, které bude vystavené chvění, vývody zajišťujeme ohnutím. U součástek s nejvýše třemi
vývody ohýbáme vývody všechny, od čtyř vývodů stačí ohnout dva vývody na diagonále. Ohyb nesmí
zasahovat do prostoru mimo spojový obrazec.
Hmotnější součástky se upevňují pomocí šroubů, nýtů a pásků. Součástka musí být upevněna před
vlastním pájením. Po zapájení není přípustné upevnění součástky demontovat. Tlaky, které v takovém
případě působí na vývody, mohou součástku poškodit. V zařízení vystaveném chvění musí být šrouby
zajištěny (pérové podložky). U součástek s tepelnými cykly (ohřev ochlazení) musí být upínací
konstrukce provedena tak, aby nemohlo dojít k uvolnění součástky vlivem rozdílné teplotní roztažnosti.
Vždy se musí v konstrukci použít pružný prvek. Při upevňování součástek, které mají pracovní vývody
na pouzdře (výkonové tranzistory, elektrolytické kondenzátory), nesmíme zapomenout použít izolační
podložky, pokud jsou předepsány. Při montáži izolační podložky nesmí dojít k znečištění dosedacích
ploch podložek. Zvlášť nebezpečné jsou kovové zbytky, které mohou podložky perforovat.
9.9. Ochrana součástek před elektrostatickým
nábojem Moderní součástky vyráběné technologiemi MOS (PMOS, NMOS, VMOS,
CMOS) jsou extrémně citlivé na statický náboj. Důvodem je velmi malá
elektrická pevnost řídicího hradla proti ostatním elektrodám. V převážné
většině případů jsou součástky vybaveny vstupními ochrannými obvody,
které součástku do určité míry chrání. Příkladem takových součástek jsou
procesory, paměti, číslicové integrované obvody, programovatelná pole
63
a další. Bohužel, v některých aplikacích jsou tyto ochranné obvody na překážku – mohly by nepříznivě
ovlivnit funkci součástky. V takovém případě není součástka chráněna. Typickou součástkou bez
ochranných obvodů jsou vysokofrekvenční tranzistory.
Zobrazená značka označuje balení součástek (nebo desky osazené těmito součástkami) citlivých na
elektrostatický náboj.
9.9.1. Zacházení se součástkami
Součástky jsou dodávány v obalech, které účinně chrání součástku před poškozením. Obal je vyroben
z materiálu s nízkou elektrickou vodivostí – používají se plasty sycené grafitem nebo přímo kovové
obaly. Součástky se musí skladovat a přenášet pouze v originálních obalech. Citlivé součástky se musí
skladovat odděleně od ostatních součástek. Nesmí se ukládat do běžných polyetylenových pytlíků.
Vyjmout z obalu se smí pouze na pracovišti, kde jsou provedena opatření pro omezení vzniku
elektrického náboje. Pokud po vyjmutí z obalu součástku bezprostředně nemontujeme, musí být
uchovávána se zkratovanými vývody. Tento zkrat se odstraní těsně před montáží. Součástky zapájené
v deskách spojů jsou do určité míry chráněny svodovými odpory desky, případně dalšími součástkami
v obvodu. Přesto při manipulaci s deskou dodržujeme zásady bránící vzniku statického náboje. Před
manipulací s deskou se doporučuje zkratovat vstupní a výstupní svorky (konektory). Tyto zkraty se pak
odstraní těsně před připojením desky.
9.10. Zásady zacházení s deskami plošných spojů Desky nikdy nepokládáme na sebe naležato. Nevystavujeme je tlakům, které způsobí kroucení či
prohnutí desky. Při montáži desku neprohýbáme. Dnešní desky plošných spojů mají velkou hustotu
součástek a velmi malé rozměry propojovacích spojů. Velmi často jsou desky vícevrstvé (i šestivrstvé).
Jakékoli ohnutí či zkroucení desky může způsobit vlasové trhliny ve spojích, které se při vyrovnání
desky znovu elektricky spojí. Takováto závada se velmi obtížně hledá, a pokud je v některé vnitřní
vrstvě, je často neopravitelná. Dalším nebezpečím jsou rozměrné integrované obvody. Při prohnutí
desky se tah přenese přes zapájené vývody na pouzdro a může dojít k jeho narušení. Pouzdro se
nejenom může zlomit, ale často dochází k porušení těsnosti vývodů. Nečistoty, které mohou vnikat
dovnitř integrovaného obvodu, většinou způsobí po delším čase poruchu. Proto při montážích desek
postupujeme zvlášť opatrně. Velmi rozměrné desky vůbec nevystavujeme mechanickému namáhání.
Pokud připojujeme na takovou ještě neupevněnou desku kolmý konektor (kolmo k desce při zkouškách),
vždy desku zezadu podložíme. Při montáži zkontrolujeme montážní rovinu tak, aby se deska upevněním
nemohla prohnout. Desku upevníme za všechny montážní otvory. Velmi nebezpečné je upevnění pouze
křížem nebo jen do poloviny desky. Pokud je zařízení vystavené otřesům, neupevněná část desky může
kmitat. Nejenom že dojde k přerušení spojů, ale může dojít i k dotyku desky například s blízkou vodivou
přepážkou.
Při pájení v blízkém okolí desky a na desce nesmíme použít agresivní tavidla (elektron, eumetol aj.),
protože páry tavidla se usazují v mikroskopických vrstvách na všech površích v blízkosti. Největším
nebezpečím není možnost koroze součástek, ale vznik vodivých vrstev na spojích. Mikroskopické vrstvy
přitom nejsou běžnými způsoby zjistitelné a většinou odolávají pokusům o umytí běžnými prostředky.
Je nutné používat demineralizovanou vodu, perchlóretylén a jiná čistá rozpouštědla, většinou
v ultrazvukových pračkách. Ani u očištěné desky nemáme jistotu. Závada se může znovu objevit po
delším čase – až vysušené zbytky tavidel znovu nasají vodu z vlhkosti v ovzduší.
64
Desky jsou citlivé na znečištění. Nejnebezpečnější jsou malé kovové částice. Proto v zařízení, kde jsou
desky osazeny, neprovádíme žádné dodatečné mechanické úpravy (vrtání, pilování). V nevyhnutelných
případech snížíme možnost znečištění desky jejím zakrytím a stálým vysáváním odpadu z obráběného
místa. Velmi nevhodné je v takových případech čištění desky ofukováním, protože nikdy nevíme, kam
vodivé piliny odfoukneme. Nevodivý prach, který se na deskách usazuje, zabraňuje přenosu tepla.
U silně znečištěných desek může dojít k přehřátí součástek. Prach proto v pravidelných intervalech
odsáváme. Znečištění desky politím vodou (a roztoky vody) je zvlášť nebezpečné, protože po vysušení
vody zůstanou na povrchu desky zbytky solí. Ty jsou hydroskopické a nasávají vlhkost z okolí. Tím se
stanou po čase opět vodivými. Takto znečištěnou desku je třeba důkladně (několikrát) omýt
demineralizovanou vodou (je to voda zbavená minerálních látek pomocí iontové výměny – je to levnější
způsob než destilace). Vodu stále měníme. Pokud máme možnost, použijeme ultrazvukovou pračku.
Velmi vhodné je v průběhu čištění měřit svodový odpor například mezi dvěma sousedními spoji na
desce. Některé desky osazené citlivějšími prvky se omýt nepodaří, a rovněž desky u zařízení, kde
požadujeme vysokou spolehlivost, raději vyřadíme a nahradíme novými. Při mytí a čištění desek není
vhodné používat běžné přípravky. Pro elektroniku jsou doporučené prostředky s vyšším stupněm čistoty.
Je například prokázáno, že některé složky v běžném denaturovaném lihu mají schopnost pronikat podél
vývodů do běžných epoxidových pouzder integrovaných obvodů, kde po čase způsobí závady.
Před manipulací s deskami citlivými na elektrostatický náboj zkratujeme jejich konektory. Zkrat
odstraníme těsně před zasunutím desky do zařízení. Při manipulaci provádíme opatření pro snížení
možnosti vzniku elektrostatického náboje.
Dnes se stále více používá součástek s velkou hustotou integrace. U takovýchto součástek jsou hodnoty
napětí, která dokáží součástku zničit, zvlášť nízké. Často stačí k poškození i výboj statické elektřiny při
manipulaci s deskou. Desky citlivé na statické náboje jsou označeny symbolem přeškrtnuté ruky
v trojúhelníku. Takové desky jsou dodávány se zkratovanými vývody a zabalené v antistatických
obalech. Desku vybalujeme a zkraty odstraňujeme těsně před montáží. U běžných desek stačí jako
opatření před rozbalením a uchopením desky vyrovnání potenciálů – zařízení, do kterého budeme desku
montovat, spojíme vodivě se zemí (na kolík zásuvky), dotkneme se jej rukou a zabalenou deskou. Ihned
poté odstraníme obal a zkrat a desku zasuneme. Dbáme na to, abychom měli pokožku ve stálém
kontaktu jak s deskou, tak se zařízením, do kterého budeme desku montovat. Pokud se deska připojuje
pájením, nejprve desku namontujeme. Pokud montážní prvky nezajistí vodivé spojení desky se
zařízením, použijeme pomocné propojky z lanka a svorky. Pájíme odporovou páječkou napájenou
malým napětím. Hrot páječky musí být vodivě spojen se zařízením. U citlivějších desek potřebujeme
spolehlivé propojení desky, zařízení, páječky, měřících přístrojů a své osoby se zemí. Používají se
antistatické náramky, boty s polovodivou podrážkou a jiná opatření k zamezení vzniku náboje. Velmi
účinné opatření je zvýšení vlhkosti vzduchu a použití ionizátorů.
Konektorů desek (zvláště zlacených) se nikdy nedotýkáme přímo rukou.
Povrch těla vždy obsahuje kyseliny (z potu). U konektorů, patic apod. stačí nepatrné znečištění, které
může způsobit pozdější nespolehlivou funkci zařízení. Zvláštní pozor si dáváme na přímé konektory.
Vývody nožů jsou vyleptány přímo na desce. V těchto místech není deska chráněna vrstvou laku.
Jakékoliv nečistoty v tomto místě mohou velmi snadno způsobit vodivé spojení sousedních nožů.
Desky nikdy neskladujeme ani nemontujeme v blízkosti zařízení, která uvolňují žíravé páry
(akumulátory). Agresivní páry, které se uvolňují ze zařízení v blízkosti desek, se na deskách usazují. Po
čase může dojít k poruše funkce desky, protože kyseliny nebo soli způsobí vodivé spojení na povrchu
desky.
Nikdy nevystavujeme desky teplotám pod -40 °C. Mohlo by dojít k rozpadu cínu v pájce. Cín má dvě
krystalické formy – kovovou a nekovovou. V nekovové formě vypadá jako bílý prášek. Do nekovové
formy cín přechází působením nízkých teplot. Tato změna se pak materiálem šíří i za normální teploty,
a tak může dojít k rozpadu pájených spojů. Proto ani není vhodné používat čistý cín při pájení
v elektrotechnice a elektronice. To bývá častá závada u přenosných rozhlasových přijímačů nebo
u dlouho vypnutých zařízení v nevytápěných místnostech. Pak stačí všechny spoje propájet.
65
Při přenesení desky z chladné místnosti do teplé počkáme se zapojením až do vyrovnání teplot. Na
chladné desce dojde k rosení – vysrážení vzdušné vlhkosti. Pokud na takovou desku připojíme napětí,
může dojít k poškození citlivých součástek.
Teplotní šoky vznikají při přenášení zařízení a desek mezi prostorami s přílišnými rozdíly teplot. Může
je způsobit i zapnutí studených zařízení, kdy dojde k prudkému nárůstu tepla, nebo přemístění studeného
zařízení k sálavému zdroji tepla. S opačným případem přemístění ohřátého zařízení do studených
prostor se tak často nesetkáme. Pokud je zařízení zapnuté, stačí vyprodukovat dostatek odpadního tepla
pro udržení teploty v uzavřeném vnitřním prostoru zařízení. Vlivem prudkých rozdílů teplot dochází ke
změnám rozměrů spojů, desek, pouzder a vývodů součástek. Tyto materiály jsou vybírané tak, aby měly
podobnou teplotní roztažnost, takže při změně teploty dojde jen k malým rozměrovým posunům. Ovšem
vlivem různé tepelné vodivosti materiálů se například měděné spoje a vývody prohřívají rychleji než
laminát, epoxid nebo keramika, a tak až do vyrovnání teplot působí v součástce nebo na desce vnitřní
pnutí. Při extrémních změnách teplot je toto pnutí tak velké, že může způsobit mechanické poškození
průchodek vývodů součástek nebo přerušení obrazce spojů podobné jako u mechanického poškození.
Proto jakékoli zařízení s elektronickými prvky necháme po přenesení do teplé místnosti nějakou dobu
v klidu, aby se teploty vyrovnaly a vlhkost se mohla odpařit.
Opravy na deskách provádí pouze pracovníci, kteří jsou na takové práce školeni. Při neodborné opravě
velmi často dojde k neopravitelným poškozením desky.
Opravy desek plošných spojů jsou velmi náročné na odborné znalosti a kvalitu práce. Je prokázané, že
jakýkoli zásah do zapájené desky sníží spolehlivost až o několik řádů (strojně zapájený spoj má
průměrnou životnost 10 miliónů hodin, ruční pouze 1 milión hodin). U nejnovějších desek se používají
nové způsoby montáže, které jsou v podstatě bez zvláštního nářadí a zkušeností neopravitelné. Z tohoto
důvodu se nevyplácí opravovat vlastní desky spojů a raději se opravy řeší výměnou celých dílů.
Poškozené desky se likvidují. Teprve u oprav větších sérií zařízení se vyplatí zřizovat pracoviště na
opravy desek. U starších zařízení je situace jednodušší. Desky plošných spojů neobsahují složité
součástky, nejsou vícevrstvé a nemívají extrémně úzké spoje. Tam bývá pokus o opravu často úspěšný.
9.11. Oblečení a ustrojení pracovníků
POZOR
Pracovní oděv nesmí být ze syntetických materiálů. Vhodný je z bavlny nebo lnu. Oděv nesmí být
vlající. Obuv má mít polovodivou podrážku, s odporem od 0,5 MΩ do 1 MΩ. Pokud se používají
rukavice, musí být bavlněné. Pracovník se před manipulací se součástkami vybije dotekem na vodivou
plochu. Při práci používá antistatický náramek spojený s referenčním bodem.
9.12. Vyhrazené pracoviště Pro práci s citlivými součástkami se vyhrazuje zvláštní prostor. V tomto prostoru jsou všechny vodivé
plochy spojeny do jednoho referenčního bodu. Podlahová krytina musí být elektrostaticky vodivá a musí
být připojena na referenční bod. Odpor referenčního bodu proti zemi by měl být 10 MΩ. Pracovní
plochy stolů, zásobníky součástek, polic, skříní musí být elektrostaticky vodivé, vodivě spojené
s podlahovou krytinou. Židle musí být kovové, vodivě spojené s podlahovou krytinou. Sedadla
66
a opěradla musí být z elektrostaticky vodivého plastu nebo nelakovaného dřeva. Na dřevo se doporučuje
bavlněný potah. Ošetřovat plochy lze pouze omytím teplou vodou s přídavkem saponátu. Použití past
a vosků je zakázáno. Z pracoviště musí být odstraněny nevodivé plastické hmoty (celofánové a plastové
obaly, plastové násady nástrojů, knihy a obaly na knihy, lakované části dopravníků a zásobníků atd.).
9.13. Pracovní prostředí Pro zamezení vzniku statického náboje je doporučeno použití ionizátorů a udržování vlhkosti nad 60 %.
Elektrický rozvod pracoviště musí být oddělen od síťového rozvodu. Používá se oddělovací
transformátor s elektrostatickým stíněním. Jádro a stínění transformátoru je připojeno na ochranný vodič
síťového rozvodu. Ochranné kontakty zásuvek jsou nezapojené. Společný referenční bod je spojen se
zemí přes rezistor 510 kΩ, který musí být (z důvodů bezpečnosti) vytvořen ze čtyř metalizovaných
odporů s výkonovou ztrátou nejméně 1,6 W. Vodivé části uvnitř vyhrazeného prostoru musí být
zakrytovány.
Transformátorové páječky se nesmí používat. Páječka musí být na malé napětí a hrot musí být spojen
přes kombinaci čtyř rezistorů 100 kΩ s referenčním bodem. Měřicí přístroje se spojují s referenčním
bodem přes kombinaci čtyř rezistorů 100 kΩ s referenčním bodem. Spotřebiče první třídy se obvykle
spojí navzájem a připojí pomocí kombinace 100 kΩ na referenční bod. Pracovníci používají
elektrostaticky vodivý náramek s odporovou kombinací 100 kΩ.
9.14. Práce ve vyhrazeném prostoru Před vstupem do vyhrazeného prostoru se pracovník zbaví elektrostatického náboje vybitím na dotykové
plošce, spojené přes odporovou kombinaci 100 kΩ s referenčním bodem. Při montáži se citlivé
součástky umísťují jako poslední. Součástky se z obalů vyjímají a umísťují se do desek výhradně
držením za pouzdro. Při manipulaci se doporučuje používat zkratovací konektory. K čištění
nepoužíváme utěrky z textilu, plastu, nepoužíváme ani štětce. Nářadí se odkládá na elektrostaticky
vodivou plochu stolu.
9.15. Oživování, měření a opravy Pracuje se ve vyhrazeném prostoru. Napájecí napětí se připojuje dříve než signálové a odpojuje se
poslední. Zkrat vstupních spojek se odstraňuje až po připojení signálových vodičů. Pro odsátí cínu
používáme pouze odsávačky s antistatickou úpravou – nedovolí vznik statického náboje třením vzduchu.
67
9.16. Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Coje to pájedlo?
Odpověď: Je to nástroj pro pájení.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Co je to pájka?
Odpověď: Slitina cínu a olova s příměsí jiných kovů.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Jaké máme druhy pájedel?
Odpověď: Transformatorové pájedlo, odporové pájedlo, odporové regulované pájedlo, pájecí stanice a
cínová lázeň.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Co charakterizuje značka?
Odpověď: Označuje součástky citlivé na elektrostatický náboj. Jedná se zejména o součástky MOS
(PMOS, NMOS, VMOS, CMOS) – tyto jsou extrémně citlivé na statický náboj.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: K čemu slouží tavidla?
Odpověď: K očištění pájené plochy a k zamezení oxidace při pájení. Rovněž po roztavení vytvářejí
povrchový film, který zvýší přilnavost pájky k povrchu materiálu.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Popište jaké oblečení a ustrojení má mít pracovník pracující s citlivými elektronickými
součástkami.
Odpověď: Pracovní oděv nesmí být ze syntetických materiálů. Vhodný je z bavlny nebo lnu. Oděv
nesmí být vlající. Obuv má mít polovodivou podrážku, s odporem od 0,5 MΩ do 1 MΩ. Pokud se
používají rukavice, musí být bavlněné. Pracovník se před manipulací se součástkami vybije dotekem
na vodivou plochu. Při práci používá antistatický náramek spojený s referenčním bodem.
68
10. SMT technologie povrchové montáže S rozvojem elektroniky se na počátku osmdesátých let začaly hledat nové možnosti miniaturizace
a zvýšení efektivnosti výroby. Jednou z cest se stalo zavedení SMT – technologie povrchové montáže.
S tím musely nastoupit nové typy součástek – SMD (Surface-Mounted – Devices) – součástky pro
povrchovou montáž. Přestože je tato technologie určena zejména pro velkosériovou výrobu, stále častěji
se s ní můžeme setkat i v oblasti zájmové elektroniky. Se SMD součástkami nemusíme přijít do styku
pouze při opravách finálních výrobků. Zejména v poslední době mnoho výrobců polovodičových
součástek nově vyvíjené a perspektivní díly dodává již pouze v SMT provedení.
10.1. Přednosti SMT technologie Díky absenci drátových vývodů mohou být vnější rozměry součástek podstatně menší než u klasického
provedení. Tím zabírají menší plochu na desce spojů a umožňují kompaktnější provedení. Možnost
osazení z obou stran desky může ušetřit dalších až 50 % plochy desky.
Montáží na povrch desky odpadá potřeba vrtaných otvorů pro vývody, což snižuje celkový počet děr na
desce a tím i výrobní náklady.
Pro osazovací automaty jsou SMD součástky výhodnější, protože odpadá operace formování a stříhání
vývodů a lze tak docílit vyšší hodinové kapacity.
SMT technologie přináší vyšší spolehlivostí i při výrobě celého výrobku, protože SMD součástky jsou
menší, lehčí a spolehlivěji mechanicky spojeny s deskou, což zvyšuje odolnost finálního zařízení proti
vibracím a rázům.
Menší rozměry součástek i hotových výrobků snižují celkové náklady na dopravu i skladování.
10.2. Zápory a omezení SMT technologie Používání SMD součástek nepřináší jen samé výhody. Problém nespočívá ani tak v SMD součástkách
samotných, ale spíše v jejich miniaturizaci. Zavedení SMD součástek s velkým počtem vývodů v rastru
0,35 až 1,27 mm omezuje tažení spojů mezi vývody součástky.
SMT technologie zvyšuje nároky na návrh desek s plošnými spoji. Například při použití běžného odporu
řady 0207 (rozteč vývodů 10 mm) můžeme pod touto součástkou natáhnout řadu spojů o běžné šířce
nebo širší spoj (napájení, výkonový). Pod odporem SMD velikosti 1206 nebo dokonce 0804 projdeme
nanejvýš jedním nebo dvěma spoji.
Zvýšená plošná hustota součástek může způsobovat problémy s nadměrným ohřevem. Výkonové
součástky leží přímo na desce, což může opět více tepelně zatěžovat okolní prvky.
POZNÁMKA
Přes značné rozšíření nejsou dosud všechny typy součástek dosažitelné v SMD provedení.
Pro SMT technologii nejsou dosud vžité jednotné normy.
69
Popis SMD součástek je z rozměrových důvodů většinou omezen na kódové označení, které nijak
nekoresponduje s typem součástky, což vyžaduje při používání vlastnit převodní tabulky nebo rozsáhlou
dokumentaci různých výrobců.
Záporem jsou též obtížnější výměny poškozených dílů při opravách, které vyžadují jiné pomůcky
a nástroje než u klasických součástek.
10.3. Používané zkratky
SMD Surface Mounted Devices (aktivní, pasivní a částečně i některé elektromechanické
součásti pro povrchovou montáž)
SMT Surface Mounted Technologie (způsob osazování a technika povrchové montáže)
SMA Surface Mounted Assembly (způsob kompletace technikou povrchové montáže)
SMD/C Surface Mount Devices/Components (SMD součástky pro povrchovou montáž)
SMP Surface Mount Packages (provedení pouzder součástek pro povrchovou montáž)
SME Surface Mount Equipment (zařízení pro povrchovou montáž)
10.4. Zkratky pro nejběžnější typy pouzder
MELF Metal Electrode Face Bonding, MINIMELF, MIKROMELF (válcová pouzdra
s kovovými kontaktními ploškami na obou koncích)
SO Small Outline (pouzdra se 4 až 28 vývody)
VSO Very Small Outline (pouzdra s až 40 vývody)
SOP Small Outline Package (typ pouzdra pro IC)
SOD Small Outline Diode (pouzdro pro diody)
SOT Small Outline Transistor (pouzdro pro tranzistory)
SOIC Small Outline Integrated Circuit (pouzdro pro integrované obvody)
CC Chip Carrier (bezvývodové pouzdro – vývody jsou ohnuty pod součástku)
LCC Leadless Chip Carrier (bezvývodové pouzdro) – takto zapouzdřené IC jsou určeny
především pro osazení do speciálních objímek.
PLCC Plastic Leadless Chip Carrier (plastové bezvývodové pouzdro, typická rozteč vývodů
je 1,27 mm).
LCCC Leadless Ceramic Chip Carrier (keramické bezvývodové pouzdro)
QFP Quad Flat Pack (čtvercové ploché pouzdro, vývody jsou vyvedeny do všech čtyřech
70
stran součástky; rozteč vývodů je různá, typicky 0,65 mm, 0,75 mm, 0,85 mm a 1
mm).
10.5. Práce se SMD součástkami
Práci se SMD součástkami můžeme rozdělit do dvou skupin:
a) osazování nových desek
b) výměna poškozených součástek na hotových deskách
Obě skupiny mají svá specifika a vyžadují mírně odlišné pracovní postupy a pomůcky (nářadí
a nástroje).
SMD součástky se kromě absence drátových vývodů odlišují od klasických zejména výrazně menšími
rozměry (to platí především pro pasivní součástky, jako jsou odpory, kondenzátory a diskrétní
polovodičové součástky) a menší roztečí vývodù (u některých pouzder pouhých 0,35 mm). Z toho plyne
první problém, na který při používání SMD součástek narazíme, a to je manipulace s nimi.
10.6. Manipulace se SMD součástkami Existují v podstatě dvě možnosti, jak uchopit SMD součástku – mechanicky (pomocí speciální
mechanické pinzety) nebo vakuovou pipetou.
Pro větší typy pouzder jsou speciální mechanické pinzety relativně dostupným a použitelným nástrojem.
Na druhou stranu, pro efektivnější práci potřebujeme více typů pinzet.
Vakuová pipeta je v podstatě vzduchové čerpadlo (vývěva) poháněné elektromotorkem, který vytváří
podtlak. Slabou tubičkou je připojena k nástroji v podobě tužky s výměnnými hroty. Ty jsou opatřeny
pružnými přísavkami s různými průměry. Vyměňují se podobně jako jehly na injekční stříkačce.
Vakuová pipeta má ovládání buď přímo na tělese držadla, nebo může být ovládána z centrální jednotky
(pumpy), například nožním nebo ručním spínačem. Dokonalejší vakuové pipety mají automatické
spínání, při kterém se pouhým dotknutím součástky (mírným zatlačením) pipeta zapne nebo vypne. To
výrazně usnadňuje práci, protože prvním klepnutím na součástku se automaticky přichytí a po uložení
na místo a zatlačení do pasty se součástka sama uvolní. Dokonalejší řešení představují kombinované
systémy, které většinou slučují zdroj podtlaku s dávkovači pájecí pasty.
Ruční osazování má nevýhodu v malé přesnosti při pokládání součástky. Proto byly pro SMT vyvinuty
takzvané manipulátory. Ty se většinou skládají z držáku pro dokonalé upevnění desky spojů
a mechanického ramene (pantografu), které drží hlavici s vakuovou pinzetou a dávkovačem pájecí pasty.
Přesné vedení hlavice s možností natáčení uchopené součástky umožňuje její přesnější usazení než při
ruční manipulaci. Hlavice může být doplněna dalším příslušenstvím, jako je například CCD kamera
s velkým rozlišením, pomocí které můžeme na připojeném monitoru kontrolovat polohu součástky.
Dalšími možnými doplňky jsou zásobníky a podavače součástek jak v tyčích, tak i v kotoučích. Součástí
stolu jsou i výměnné zásobníky (krabičky) na volně ložené součástky v antistatickém provedení.
71
Jednotlivé typy jsou popsány na štítcích, což snižuje možnost chybného osazení. Takto řešená sestava je
efektivní pro prototypovou nebo malosériovou výrobu.
Na nejvyšší pomyslné příčce pak jsou osazovací poloautomaty a automaty, což je však již jiná kategorie
zařízení.
Po umístění SMD součástky na desku ji musíme připájet. Montáž SMD součástek se však také liší od
klasické technologie. U SMD součástek se totiž nepoužívá cínová pájka v té podobě, jakou známe
z běžné praxe. Cín se na místo spoje nanáší ještě před položením součástky. Aby to bylo možné, vyrábí
se cínová pájka v podobě pájecí pasty. To jsou mikroskopické kuličky cínu (případně dalších přísad)
v tavidle. Před montáží se malé množství pasty nanese na každou pájecí plošku (tzv. pad) součástky. Při
usazování se pak součástka přitiskne do pasty. Lepivost pasty současně fixuje součástku do doby pájení.
Vlastní pájení se pak provede buď horkým vzduchem lokálně (to je pro každou součástku zvlášť), nebo
v tzv. přetavovací peci.
10.7. Nanášení pájecí pasty Pájecí pastu na desku spojů můžeme nanášet opět různými způsoby. V amatérské praxi (při osazování
nových desek i při opravách) vystačíme s ručním dávkovačem. Pájecí pasta se dodává v tubách
podobných injekčním stříkačkám. V nejjednodušším případě můžeme pastu nanést přímo z tuby.
Nevýhodou je obtížná manipulace a špatný odhad nanášeného množství. Daleko pohodlnější je použití
ručního dávkovače. To je mechanický držák, do kterého vložíme tubu s pastou. Stlačením páčky se
vytlačí potřebné množství pasty. Výhodou je snadnější manipulace (dávkovač držíme pohodlně v dlani)
a přesnější dávkování.
Dokonalejší dávkovače pracují se stlačeným vzduchem. Centrální jednotka je spojena hadičkou s tubou,
ze které vytlačuje přesně odměřené množství pasty. Centrální jednotku je možné také ovládat nožním
spínačem. Kvalitnější systémy mají některé doplňkové funkce, jako například odsátí zbytku pasty
z hrotu dávkovací jehly, aby se netvořily kapičky. Tyto dávkovače mohou být součástí manipulátorù
a osazovacích poloautomatů.
V sériové výrobě se pak pro nanášení pájecí pasty používá technologie sítotisku. K dispozici jsou jak
malé ruční sítotiskové rámy, určené pro prototypovou a malosériovou výrobu, tak i automatické stroje
pro velké série. V poslední době se i v sériové výrobě začínají prosazovat disperzní dávkovací automaty.
Jsou schopné za hodinu nanést pájecí pastu na 20 000 pájecích plošek. Při jejich použití odpadá pracná
a relativně drahá výroba sítotiskových masek, jakákoliv změna desky představuje pouze minimální čas
na přeprogramování.
10.8. Pájení SMD součástek Poslední operací při osazování SMD součástek je pájení. Pokud chceme použít klasickou páječku (s
hrotem), připadají do úvahy pouze mikropáječky s velmi tenkými hroty. Běžně dostupné jsou
s průměrem hrotu 0,4 mm a 0,8 mm. Vzhledem k tomu, že mimo vlastní spoj musíme prohřívat často
i dost velkou plochu na desce, neměl by být příkon tělíska menší než 15 W. Doporučuje se použití
páječky s elektronickou regulací teploty hrotu.
72
Velmi důležitou roli při použití klasické (hrotové) páječky hraje použitá cínová pájka. Speciálně pro
práci s SMD se používá pájecí drát o průměru 0,4 mm až 0,6 mm s příměsí stříbra (např. ALPHA SMT,
L-Sn62PbAg2) a bezoplachového tavidla F-SW32. Vlastní pájení hrotovou páječkou je obtížnější než
u klasických součástek, které jsou v desce spojů fixovány drátovými vývody. Při pájení SMD součástek
potřebujeme tři ruce: na páječku, pájecí drát a pro přidržení součástky. Ty ale většina z nás k dispozici
nemá, takže musíme zvolit jiný postup. Na jednu z pájecích plošek naneseme malé množství cínu.
Uchopíme součástku do pinzety (mechanické nebo vakuové), přiložíme ji na místo a hrotem páječky
roztavíme cín pod vývodem. Přitlačíme součástku k desce a necháme cín zatuhnout. Tím je součástka
fixována. Pokud se při pájení pohnula, můžeme opětovným prohřátím její polohu opravit. Je-li vše
v pořádku, připájíme již běžným postupem ostatní vývody. I když je s použitím kvalitní mikropáječky
a pájecího drátu příležitostná práce s SMD součástkami možná, pro častější práci je rozhodně lepší
pořídit si horkovzdušnou pistoli. Doporučuje se některé z kombinovaných zařízení, slučujících funkci
odsávání s vyfukováním horkého vzduchu.
Základní funkcí je odsávání cínu při opravách. Vyhřívaný hrot s elektronicky regulovatelnou teplotou
roztaví cín na vývodu součástky a výkonná sací pumpa dokonale odstraní cín z otvoru. Se stejným
hrotem, ale pistolí přepnutou na profuk, odstraníme případné neodsáté zbytky cínu.
Pro práci s SMD součástkami se pistole přepne na profuk a sací hrot vyměníme za horkovzdušnou
trysku. Tou pak snadno roztavíme cín na vývodech součástky. Pokud jsme při osazování použili pájecí
pastu, prohřátím se cín v pastě roztaví a součástka se spolehlivě připájí.
Při odpajování SMD součástek s velkým počtem vývodů by se nám nepodařilo ohřát všechny najednou.
Postupujeme proto po jednotlivých vývodech, které po roztavení cínu oddělíme od desky tenkým
ocelovým drátkem. Pro častější výměny větších pouzder IC se k pistoli dodává souprava pro odpájení
SMD součástek. Ta obsahuje mimo jiné i různé tvarované nástavce. Ty přesně odpovídají rozložení
vývodù. Ve středu nástavce je vakuová pipeta s přísavkou. Ta je pružinou přitlačována na povrch
součástky. Při odpajování přiložíme tvarovaný nástavec k vývodům obvodu. Tím se roztaví cín na všech
vývodech současně. Zapneme odsávání, pipeta ve středu nástavce fixuje obvod, který snadno sejmeme
z povrchu desky. Vypnutím odsávání se současně uvolní i vyjmutý obvod. Pro trvalé nasazení
v náročných provozech pak existují specializované horkovzdušné pájecí systémy, například od
švýcarské firmy LEISTER.
Výrazně efektivnější alternativou k horkovzdušným pájecím systémům jsou tzv. přetavovací pece. Ty
mohou být určeny jak pro jednotlivé desky, tak pro větší série průchozí s pásovým dopravníkem.
K roztavení cínu dochází buď proudem horkého vzduchu (konvekční pece) nebo intenzivním
infračerveným zářením (obdoba klasického teplometu), případně kombinací obou. Velké pájecí systémy
mohou najednou kombinovat techniku pájení cínovou vlnou pro klasickou montáž s přetavením pro
SMD součástky.
10.9. Převodní tabulky Základním problémem při manipulaci je identifikace součástek. Pokud jsou používány v prvovýrobě,
zakládají se do osazovacích automatů v celých baleních (nejčastěji kotoučích), která jsou již z výroby
dostatečně dobře značena. Zcela jiná situace však nastane, dostane-li se nám do rukou například osazená
deska, ke které nemáme žádnou dokumentaci a potřebujeme zjistit, co která součástka vlastně je.
U nejběžnějších typů, jako jsou odpory, keramické (čipové) a elektrolytické kondenzátory, to ještě není
tak zlé, protože systém značení a charakteristické provedení má určitý systém. To však již neplatí
o polovodičových součástkách. Miniaturní rozměry vylučují potisk běžným označením, jak je známe
například z diskrétních polovodičových součástek. Proto výrobci označují typ součástky speciálním
klíčem, který je většinou dvou nebo tříznakový (v ojedinělých případech i víceznakový). Tento klíč je
73
však tvořen zcela nahodile, SMD součástky vyrábí řada výrobců, neexistuje v nich žádný systém. Pro
identifikaci součástky potřebujeme znát převodní tabulky.
74
SMD převodní tabulka – část první
75
SMD převodní tabulka – část druhá
76
SMD převodní tabulka – část třetí
77
SMD převodní tabulka – část čtvrtá
78
10.10. Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Vyjmenujte přednosti SMD technologie
Odpověď:
rozměrově podstatně menší součástky (nemají drátové vývody)
odpadá potřeba vrtaných otvorů
výhodné pro osazovací automaty (vysoká produktivita)
není třeba připravovat součástku (krácení vývodů)
finální výrobek má vyšší spolehlivost
finální produkt je menší (nižší náklady na skladování a materiál)
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Vyjmenujte zápory SMD technologie
Odpověď:
horší manipulace se součástkami (miniaturizace)
omezený počet spojů na desce plošného spoje (malá rozteč vývodů)
zvýšená hustota součástek klade vyšší nároky na chlazení
ne všechny součástky jsou v provedení SMT
neexistuje jednotná normalizace SMT součástek
nutnost používat pro označení převodní tabulky
náročná výměna poškozených součástek (speciální nástroje)
79
11. Měření elektrických veličin
11.1. Základní pojmy
DŮLEŽITÉ
Fyzikální veličina je vlastnost jevu nebo hmoty, kterou dovedeme měřit. Veličiny jsou označeny
dohodnutými písmeny.
Například
F síla
m hmotnost
U napětí
I proud
R odpor
apod.
Platí
Veličina = číselná hodnota veličiny x jednotka veličiny
POZOR
Měření Je souhrn úkonů, které slouží ke zjištění číselné hodnoty veličiny pomocí měřících prostředků.
Měřicí prostředky Jsou zařízení nutná k provedení měření.
Měřicí přístroje Jsou měřící prostředky, které slouží k převedení velikosti měřené veličiny na analogový nebo číslicový
údaj.
Analogový údaj Je údaj, který se získá odečtením výchylky ukazatele (ručka, světelná stopa) na stupnici měřicího
přístroje.
Číslicový údaj Se získává přímým odečtením číselné hodnoty měřené veličiny z displeje měřicího přístroje.
Měřicí rozsah Udává velikost měřené veličiny pro plnou výchylku u analogových přístrojů a maximální velikost
měřené veličiny u digitálních přístrojů.
11.2. Měřicí přístroje Patří mezi měřicí prostředky a slouží k získání údaje o velikosti měřené veličiny. My se budeme zabývat
přístroji k měření elektrických veličin, jakými jsou například napětí, proud, odpor, výkon apod. Mohou
být analogové, které poskytují analogový údaj o velikosti měřené veličiny, nebo digitální poskytující
80
údaj číslicový. Slouží pro měření stejnosměrných nebo střídavých konkrétních veličin (napětí, proud),
před vlastním měřením musíme vybrat vhodný přístroj pro to které měření. Pro zajištění větší
univerzálnosti měřících přístrojů se vyrábějí kombinované přístroje, tzv. multimetry, u kterých je možno
přepínačem nebo více přepínači zvolit kromě měřicího rozsahu také měřenou veličinu při respektování
toho, zda se jedná o veličinu stejnosměrnou, nebo střídavou. Digitální měřicí přístroje jsou vybaveny
elektronickými obvody, které zajišťují převedení analogové veličiny na číslicový údaj zobrazovaný na
displeji přístroje. Jejich základem je analogově číslicový převodník, jehož princip činnosti je nad
rámcem tohoto studijního materiálu. Obvykle umožňují sdružení více funkcí do jednoho přístroje.
Analogové měřicí přístroje obsahují mechanické části (pevné i otočné), které zajišťují nastavení
ukazatele (obvykle ručky, nebo světelné stopy) nad stupnicí v závislosti na velikosti měřené veličiny.
11.2.1. Podle principu měřicího ústrojí je můžeme rozdělit
11.2.1.1. Magnetoelektrické přístroje
Základem je otočná cívka v magnetickém poli permanentního magnetu. V nulové poloze je držena
dvojící řídících (direktivních) spirálových pružin, které současně slouží k přívodu elektrického proudu.
Při průchodu proudu se cívka natočí v závislosti na velikosti proudu. Na otočnou cívku je vhodným
způsobem upevněn ukazatel, jehož poloha na stupnici ukáže velikost měřeného proudu.
POZOR
Tyto přístroje měří stejnosměrný proud, pokud budeme chtít měřit proud střídavý, musíme před
měřidlo předřadit měřící usměrňovač, pak přístroj měří střední hodnotu, ale stupnice bude cejchována
v efektivních hodnotách. Lze je použít pro měření proudu i napětí.
11.2.1.2. Feromagnetické (elektromagnetické) přístroje
Základ tvoří dva feromagnetické plíšky umístěné v dutině cívky, z nichž jeden je uchycen pevně
a druhý je mechanicky spojen s hřídelkou otočného ústrojí, procházející osou cívky. Při průchodu
proudu cívkou se vytvoří magnetické pole, které zmagnetuje oba plíšky tak, že se odpuzují. Vzniklá síla
natáčí otočným ústrojím. Proti této síle opět působí síla řídicí pružiny. Výsledné natočení a tedy i poloha
ukazatele je úměrná druhé mocnině procházejícího proudu. Stupnice je nelineární a její průběh lze
ovlivnit tvarem plíšků. Přístroje měří efektivní hodnotu, používají se pro měření střídavých veličin.
11.2.1.3. Elektrodynamické přístroje
Otočná cívka se nachází v magnetickém poli vytvořeném pevnou cívkou. Na otočnou cívku působí
pohybový moment a proti němu direktivní moment vyvozený spirálovými pružinami. Natočení
pohyblivé části, a tím i výchylka ručky je, úměrná součinu proudu pevnou cívkou a proudu otočnou
cívkou. V současné době se tento systém používá převážně ke konstrukci přístrojů pro měření výkonu
(wattmetrů). Pevná cívka, tzv. proudová se zapojí do série se spotřebičem a otočná, tzv. napěťová
81
paralelně ke spotřebiči. Přístroj tak měří současně napětí na spotřebiči a proud protékající spotřebičem.
Pohybový moment je úměrný součinu napětí a proudu na zátěži.
11.2.1.4. Ferodynamické přístroje
Princip je podobný jako u elektrodynamického přístroje s tím rozdílem, že pevná cívka je navinuta na
magnetickém obvodu. Tímto uspořádáním se dosáhne většího pohybového momentu.
11.2.1.5. Indukční přístroje
Otočná část z nemagnetického materiálu (hliníkový kotouč) se nachází v magnetickém poli několika
elektromagnetů napájených střídavým proudem. V kotouči se indukují proudy, jejichž vzájemným
působením s magnetickým polem vzniká pohybový moment. V současnosti se indukční přístroje
používají jako měřiče elektrické práce (elektroměry). Jsou použity dva elektromagnety, z nichž cívka
jednoho z nich (proudová) je zapojena do série se zátěží a cívka druhého (napěťová) paralelně k zátěži.
Pohybový moment je úměrný součinu napětí, proudu a účiníku (kosinu fázového posunu mezi napětím
a proudem), tedy činnému výkonu dodávanému do zátěže. Otáčení kotouče se převádí na počitadlo,
které udává odebranou elektrickou práci.
11.2.1.6. Tepelné přístroje s bimetalem
Bimetalovým páskem stočeným do spirály prochází proud, bimetal se zahřívá a jeho deformace
(svinování a rozvinování) se přenáší na otočné ústrojí a natáčí ukazatel. Na otočném ústrojí je za tepelně
izolační přepážkou (kotoučem) protisměrně navinuta druhá spirála, kterou proud neprochází. Tímto
uspořádáním se kompenzuje vliv okolní teploty. Tyto přístroje hodícíse k měření proudu se vzhledem ke
své velké tepelné setrvačnosti v praxi používají velmi málo.
11.2.1.7. Elektrostatické přístroje
Využívají silových účinků elektrostatického pole při měření napětí. Měřicí ústrojí se skládá ze
soustavy pevných a pohyblivých elektrod složených z paralelně řazených pevných desek a paralelně
řazených pohyblivých desek. Po připojení napětí začnou na sebe obě soustavy působit přitažlivou silou
a pohyblivé elektrody se začnou vtahovat mezi pevné elektrody. Proti tomuto pohybu působí direktivní
moment spirálové pružiny nebo závěsu a při jeho rovnosti s pohybovým momentem se ukazatel ustálí
v poloze odpovídající přivedenému napětí. Tyto přístroje se používají k měření stejnosměrného
i střídavého napětí do 600 kV.
11.3. Vyhodnocení a interpretace naměřených
výsledků
82
11.3.1. Přesnost měření
Naměřené výsledky přesně neodpovídají skutečné hodnotě měřené veličiny. Vzniká chyba měření. Tato
chyba může mít několik příčin.
Druhy chyb
Chyby metody: vliv spotřeby měřicího přístroje, zjednodušení matematických vztahů pro výpočet apod.
Tyto chyby lze obvykle vypočítat a výsledek měření opravit (korigovat).
Chyby přístrojů: jsou způsobeny měřicími přístroji, jejich nedokonalostí. Dovolenou chybu
konkrétního přístroje udává výrobce jako třídu přesnosti. Třída přesnosti stanoví maximální chybu
přístroje vztaženou k největší hodnotě měřicího rozsahu vyjádřenou v procentech.
Chyby pozorovatele: jsou způsobené lidským faktorem např. volbou chybné metody, nesprávným
zapojením přístrojů, chybným odečtením údajů apod.
Charakter chyb
Soustavné – vyskytují se pravidelně (chyby přístrojů, použitá metoda apod.) a obvykle je možno je
korigovat.
Nahodilé – vyskytují se nepravidelně Jejich vliv je možno eliminovat vícenásobným měřením, výsledek
se určí jako aritmetický průměr výsledků všech měření.
Vysoká přesnost je vyžadována u laboratorních měření, u provozních měření, která musí být rychlá
a levná, často vyhovuje menší přesnost.
11.3.2. Vyhodnocení
U digitálních měřicích přístrojů je měřený údaj zobrazen přímo na displeji a lze jej použít pro další
činnost.
U analogových přístrojů může být situace složitější, zejména u přístrojů se stupnicí, která je rozdělená
na určitý počet dílků pro více rozsahů. Pak je vhodné stanovit tzv. konstantu přístroje pro určitý rozsah
jako poměr rozsahu přístroje a celkového počtu dílků stupnice. Konstanta se obvykle označuje k.
Konstanta přístroje pro rozsah:
kde:
XR – rozsah přístroje
αS – celkový počet dílků stupnice
Hodnota měřené veličiny XM se vypočítá podle vztahu:
83
kde:
k – konstanta přístroje
α – výchylka ukazatele vyjádřená počtem dílků
Velmi výhodné je stanovení konstanty wattmetru, kde hodnota XR je dána součinem konkrétního
napěťového a proudového rozsahu.
11.3.3. Interpretace naměřených výsledků
Naměřenou hodnotu je nutno porovnat s očekávanou hodnotou nebo s hodnotou předepsanou ve
schématu. Pokud naměřená hodnota odpovídá očekávání, je konkrétní část obvodu v pořádku. Pokud ne,
v obvodu se vyskytuje závada, kterou je nutno lokalizovat a následně odstranit. Postup lokalizace je
závislý na typu obvodu. Obvykle se jedná o přerušený vodič (nedokonalý kontakt na svorkovnici, tzv.
studený spoj na desce plošných spojů apod.), nebo vadnou součástku. Při montáži může dojít
k chybnému zapojení. Ve většině případů je nutné mít k dispozici schéma zapojení.
11.4. Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Podle principu měřícího ústrojí dělíme měřící přístroje na:
Odpověď:
magnetoelektrické přístroje
feromagnetické (elektromagnetické) přístroje
elektrodynamické přístroje
ferodynamické přístroje
indukční přístroje
tepelné přístroje s bimetalem
elektrostatické přístroje
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Jaký proud měří přístroj, když jeho rozsah je 12 A, stupnice je dělena na 60 dílků a výchylka
ukazuje 36 dílků?
Odpověď: 7,2 A
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Kolika cívkami je vybaven analogový wattmetr?
Odpověď: Dvěma cívkami.
84
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Elektroměr slouží k měření jaké veličiny?
Odpověď: K měření elektrické práce.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Wattmetr se využívá k měření?
Odpověď: Wattmetr se využívá k měření elektrického výkonu.
85
12. Zapojování elektronických obvodů
podle schémat Jako při každé pracovní činnosti, tak i při zapojování elektronických obvodů je nutné zvolit a dodržet
určitý správný pracovní postup. Jiný způsob zapojování patrně zvolíme při sestavování přípravku, který
má posloužit pro krátkodobé zkušební odzkoušení činnosti části zařízení a případnou úpravu obvodu,
jiný způsob i postup zvolíme pro konečné a definitivní zapojení.
V prvém případě je vhodné použít zkušební pájecí desku nebo nepájivé kontaktní pole, do kterého
postupně zasouváme vývody součástek a propojujeme je krátkými vodiči. Při práci s nepájivým polem
nepoužíváme silné vodiče o velkém průměru, abychom nepoškodili příslušné kontaktní pružiny. Jestliže
je dost místa, dáváme přednost promyšlenému, přehlednému zapojení, ve kterém se snadněji nalézají
případné chyby.
Pro zapojování na nepájivém poli jsou málo vhodné elektronické součástky s tlustými drátovými nebo
plechovými vývody. V nouzi na tyto vývody musíme připájet kousky drátu o slabším průměru. Podobně
postupujeme při úpravě konce lankového vodiče. Nikdy na nepájivém kontaktním poli, ani v jeho těsné
blízkosti, nepájejte. Teplota a kapičky pájky plastickou hmotu nepájivého pole rychle zničí. Ze stejného
důvodu se nepájivé pole nehodí pro zkoušení výkonových obvodů, u kterých protékají větší proudy (nad
1A). Na přechodovém odporu kontaktních pružin vzniká teplo, kontakty se zahřívají a ztrácejí pružnost.
U staršího kontaktního pole nepoužívejte ty kontakty, u kterých zjistíme, že zasunutý vodič je volný
a nedrží. Čas od času je vhodné nepájivé kontaktní pole proměřit ohmetrem, opravit nebo i vyřadit.
Pro zkoušení jednoduchých zapojení stačí malá zkušební deska opatřená pájecími ploškami.
Univerzální zkušební desky jsou vhodné pro stavbu složitých elektronických obvodů. Úprava
univerzální desky spočívá v tom, že oddělené dílčí plošky (vodiče) musíme na některých místech
propojit pájením, na jiném místě, kde nám případné spojení nevyhovuje, je nutné plošky od sebe oddělit
např. přepilováním.
Před vlastním zapojováním součástek mějte součástky předem vybrané, změřené a označené tak, abyste
předešli případné jejich záměně. Rezistory zásadně přeměřte. Před osazováním součástek se vyplatí,
provedeme-li kontrolu plošného spoje pomocí lupy a ohmmetru. Velkou pečlivost věnujte také připájení
přívodních vodičů, které jsou obvykle více namáhány a často zde vznikne studený spoj. Zapojování
podle schématu předpokládá znalost všech použitých schematických značek. Součástí tohoto tématu
samozřejmě musí být i zvládnutí zpětné činnosti, překreslení určitého reálného zapojení do schématu.
12.1. Cvičná schémata K úvodnímu textu jsou připojena schémata, podle kterých lze buď přímo zapojovat, nebo mohou
posloužit jako inspirace. V současné době je množství schémat uváděno v odborných knihách
a časopisech.
12.2. Napájecí zdroj
86
Doporučený postup práce
Překreslení schématu, sestavení soupisky materiálu, písemný rozbor zapojení, měření a výběr součástek,
příprava nářadí, zapojování, kontrola, odzkoušení, hodnocení, opravy, poučení z chyb.
Upozornění!
V následujícím zapojení je alespoň při zkoušení funkce obvodu nutno připojit primární vinutí
transformátoru k síti 230 V. Z důvodu bezpečnosti nechte překontrolovat oddělovací funkci
transformátoru.
1
2
3
IO1
7805
Tr1
-
+
1A
Po 1
C2
M1
C3
M1
C1
100M síť 230 V
D1
D2
D3
D4
10V st
Napájecí síťový transformátor musí být v bezvadném stavu. Izolace přívodní šňůry musí být
nepoškozená.
Pojistka PO1 v primárním okruhu má mít hodnotu 0,1 až 0,15 A. Na výstup zdroje dáme zpočátku
menší, asi třetinovou zátěž, tedy rezistor 18 ohmů. Při této zátěži poteče proud asi 0,28 A. Zatěžovací
rezistor má být alespoň na 2 W. Použitý stabilizátor by měl být přišroubován na chladič doporučených
rozměrů. Zdroj bez chladiče nezkoušejte. Nežli zdroj připojíte k síti, ujistěte se, že máte správně
zapojeny diody. Důležitá je také správná polarita elektrolytického kondenzátoru. Připravte si voltmetr
a nastavte jej na vhodný rozsah stejnosměrného napětí. Po zapnutí zdroje přeměřte výstupní napětí, které
má být 5 V.
POZOR
Přístroj okamžitě odpojte od sítě vytáhnutím vidlice ze zásuvky, když:
stejnosměrné napětí na výstupu stabilizátoru je mnohem větší než 5 V
stejnosměrné napětí je nulové nebo téměř nulové
při zapnutí nebo těsně po něm se ozve výbuch
vidíte, že z některé součástky vystupuje kouř
zjistíte, že transformátor se nadměrně otepluje
provoz transformátoru je doprovázen silným bručením
Při nesprávné funkci zdroje hledejte závadu při odpojeném zařízení. Pokud jste nenašli žádnou chybu,
odpojte sekundární vinutí transformátoru od usměrňovače a změřte střídavým voltmetrem napětí
naprázdno. Nemá být o mnoho větší než 12 V. Nenaměříme-li napětí na sekundárním vinutí
transformátoru, může být vadná primární pojistka. To může být signálem, že máte chybu v zapojení.
87
12.2.1. Jednoduchý blikač
T2
BC547
+ 4,5V
-
T1
BC547
R2
22K
R3
18K
D2 D3
C1 C2
R6
150
R7
150
T3
BC337
D1
R5
150
R1
1K
R4
560
C1 47M
C2 22M
3x LED žlutá
Na obrázku je zapojení jednoduchého blikače pro diody LED.
12.3. Praktická zapojení
12.3.1. Prozváněčka
Prozváněčka slouží ke kontrole celistvosti vodičů, spojení; dále k vyhledávání určitých žil v kabelech,
ke kontrole neporušenosti spojovacích čar na desce s plošnými spoji apod. Prozváněčka není určena
k použití v obvodech pod napětím.
Prozváněčka obsahuje minimum součástek. Napájení zajišťuje jedna destičková baterie o 9 V. Odběr se
při vybuzení pohybuje mezi 8–12 mA. Pokud nejsou spojeny měřicí hroty, je odběr z baterie nulový.
Nastavení piezoměniče na největší účinnost (největší hlasitost)
Nastavení provádíme při jmenovitém napájecím napětí 9 V. Největší účinnost vykazuje piezoměnič pro
kmitočet 3–4 kHz. Kmitočet nastavujeme změnou velikosti odporu trimru R2. Nastavování je poměrně
ostré. Nastavujeme pro největší hlasitost. Použijeme-li pro napájení prozváněčky napětí 3 V (např.
2 tužkové baterie o 1,5 V), provedeme nastavení dle výše uvedeného popisu. Hlasitost pieza je však
nižší.
Schéma zapojení
88
K součástkám
tranzistory mohou být libovolné, je jen třeba dodržet typ vodivosti (NPN, PNP)
piezo je třeba použít s „komůrkou”(např. z desky vysloužilého počítače) – piezo z digitálních
hodinek je nepoužitelné
ostatní součástky jsou libovolné
12.3.2. Bzučák SMT
Úvod
Při manipulaci se součástkami SMD se nedoporučuje znečistit vývody (nelze je brát do ruky, mastný pot
zhoršuje přilnavost cínu). Součástky nelze opětovně pájet, tekutá pájka rozpustí povrchové vrstvy
vývodu a odpájená součástka je znehodnocena. Součástky CMOS je nutné chránit před statickým
nábojem. Pájení je možné pouze odporovými pájedly.
Při vlastní práci je vhodné veškerou manipulaci provádět na čisté ploše. Nejvhodnějším podkladem je
čtvrtka papíru, na kterou můžeme příliš malou desku plošného spoje připevnit kapkou lepidla. Celý
plošný spoj musí být před montáží důkladně očištěn, musí být provedeny veškeré mechanické práce
(vrtání otvorů, sražení hran) a povrch mědi musí být pocínován slabou vrstvou pájky. Na destičce nesmí
zůstat zbytky kalafuny ani jiné nečistoty. Vlastní osazení součástek je nutné dobře promyslet tak, aby
vyšší a rozměrnější součástky neznemožnily osazení ostatních. Rezistory a kondenzátory se umisťují
nápisem nahoru. Nesmí se pájet na sebe do vrstev. Na plošný spoj naneseme kapku kalafuny rozpuštěné
v lihu na místo, které bude ležet pod součástkou. Tato kapka nesmí být velká (nesmí být součástkou
vytlačena na strany). Pak součástku na kapku položíme, ustavíme ji na pájecí body a nahřejeme hrotem
pájky jeden vývod. Zatím nepřidáváme pájku. Teplem se rozpustí vrstvička pájky na spoji a součástka se
přichytí. Po kontrole můžeme součástku připájet. Pájka se přikládá k hrotu prohřívajícímu vývod
a plošný spoj. Doporučuje se pájku rozklepat naplocho a odstřihnout proužek, který k vývodu
přidáváme. Pájka nemá být plněna kalafunou. K manipulaci se součástkou používáme vakuovou
pinzetu. Integrovaný obvod položíme na spoj a ustavíme. Zapájíme krajní vývod a po kontrole posazení
i vývod protilehlý. Pokud bude vše v pořádku, připájíme i ostatní vývody. Pájíme každý druhý vývod.
Tranzistory a diody osadíme stejně odpory a kondenzátory. V profesionální praxi se součástky fixují
epoxidovými lepidly a pro zapájení se používá přetavení v peci – k vývodu součástky se nanese pájecí
pasta s mikrokuličkami pájky a ta se pak řízenou změnou teploty roztaví. Díky tavidlu přilne na vývody.
Demontáž součástek je obdobná jako u klasické montáže. Vývod se nahřeje a uvolní. U složitějších
součástek s více vývody můžeme uvolňovat součástky bud' vývod po vývodu, nebo použijeme odpájecí
C
10n
R1
10K
T1
T2 BC817-25SMD
R2 470k
BC807-25SMD
+9V
89
stanice, která dokáže pomocí tvarového nástavce nahřát všechny vývody součástky najednou. Po
demontáži součástky se musí pájená místa očistit od zbytků původní pájky, nejlépe pomocí měděného
knotu. Jednou pájené součástky se nedoporučuje znovu použít.
Bzučák slouží k akustické signalizaci při kontrole celistvosti obvodů. Účelem zařízení je vytvořit
obdélníkové impulsy, které následně spínají reproduktor nebo piezoelektrický měnič.
Schéma zapojení
Celé zapojení se skládá z oscilátoru (Q1/1 a Q1/2) zapojeného v typickém provedení s hradly CMOS.
Kmitočet oscilátoru určuje RC člen R1 a C1, na výstup oscilátoru přes oddělovací a tvarovací stupeň
(Q1/3 a Q1/4) je připojen tranzistor (Q2), který spíná zátěž tvořenou reproduktorem (nebo
piezoelektrickým měničem s indukční cívkou). Celé zařízení pracuje s napájecím napětím 1 až 3,3 V.
Integrovaný obvod je vyroben technologií CMOS.
R1
100K
Q2/1 Q4/1 Q3/1Q1/1
BC817-25SD
C110n
RB
GND
1
2
3 4
5
6 12
13
1110
9
8
SN74HC00
Q2
90
PRACOVNÍ ÚKOL
Logická sonda
Patří k několika nejjednodušším. Její stavba je jednoduchá. To je vidět na obr. 1. Tranzistor
kolektorovým obvodem ovládá červenou LED 1, ta indikuje logickou úroveň H. Diody v obvodu báze
jsou orientované v propustném směru a mají za úkol vytvořit úbytek napětí. Na bázi se pak dostane
zmenšené napětí, které přesto postačí k otevření tranzistoru. Platí to za předpokladu, že se hrot sondy
dotýká místa s úrovni H. Kdyby se snad LED 1 dioda částečně rozsvěcovala i bez připojeného napětí,
pak zmenšíme odpor rezistoru R3, který tvoří dolní člen napěťového děliče. Zbytečně však odpor
nezmenšujeme, aby se nezmenšoval vstupní odpor sondy. Vstupní odpor naopak můžeme zvýšit
zvětšením Rl a R2. Sonda méně zatěžuje sledovaný obvod.
Popis funkce
Úroveň H: Tuto logickou úroveň signalizuje červená LED l. Malé kladné napětí na bázi tranzistoru
otevře obvod kolektor – emitor a tranzistorem teče proud. Na kolektoru tím klesne napětí
až na saturační hodnotu, ne větší než půl voltu. LED l se tak připojí k téměř plnému napětí zdroje.
Velikost proudu procházející diodou omezuje rezistor R4 zapojený v serii
Úroveň L: Zobrazuje jí LED 3, která se rozsvítí, když výstup hradla Hr 3 zapojeného jako invertor
přejde na úroveň L. Aby k tomu došlo, musí být výstup prvního invertoru Hr 1 na úrovni H, protože je
se vstupem hradla 4 propojen. To se stane v okamžiku, kdy hrot sondy nalezne úroveň L. LED3 pak
dostává téměř plné napětí zdroje a pouze R6 rozhoduje o velikosti protékajícího proudu.
Zakázané pásmo: Indikuje ho LED 2, která se rozsvítí ihned po připojení napájecího napětí, jestliže je
hrot sondy je volný. Aby se mohla rozsvítit, musí být výstup hradla Hr 4 (NAND)
na úrovni L. K tomu dojde, když oba jeho vstupy jsou na úrovni H. Tato podmínka je splněna jestliže:
a) Tranzistor je uzavřen, na jeho kolektoru je napětí jako na zdroji, což představuje úroveň H.
b) Druhý vstup hradla je na H, v případě že i výstup invertoru hradla Hr 2 je na H. Pak toto hradlo
musí mít na vstupu L. Žlutá LED však zhasne, jakmile se na vstup sondy dostane buď L nebo H.
Ochrana pomocí sériové diody v přívodu kladného napětí (proti přepólování). Ochrana pomocí paralelně
zapojené Zenerovy diody a stabilizační diody, aby napětí nepřekročilo povolenou mez. Stejně tak platí
možnost regulace svitu diod změnou sériových odporů. Rozložení součástek si prohlédněte na obr. 3.
Také si můžeme vyrobit sondu v SMD provedení. Na obr. 4 je plošný spoj a na obr. 5 je osazení
plošného spoje.
Na obr. 6 je skutečné provedení log. sondy. Na obr. 7 je v SMD provedení.
Poznámka: Obvod pracuje s IO 7400. Při použití IO 74ALS00 nepracuje vyhodnocení nezapojené
sondy, svítí LED dioda pro log “0”
91
Plošný spoj
Osazení plošného spoje
Plošný spoj v SMD provedení
Hr1Hr2 Hr3
Hr4
R5 R6R4
R3R1
R2
D4
D3D2D1
LED 3LED 1 LED 2
D5
T1Vstup
+ 5V
GND
Obr. 1
92
Osazení plošného spoje v SMD provedení
Seznam součástek
1 IO 7400 1 ks
2 LED 1 LED červená 1 ks
3 LED 2 LED žlutá 1 ks
4 LED 3 LED zelená 1 ks
5 R 1,2 Rezistor 0,25 W 1K2 2 ks
6 R 3 Rezistor 0,25 W 1K8 1 ks
7 R 4 Rezistor 0,25 W 270R 1 ks
8 R 5 Rezistor 0,25 W 180 R 2 ks
9 D 1,2,3 Dioda 1N4148 3 ks
10 D 4 Dioda BAT 45 1 ks
11 D 5 Dioda BZX85V005,1 1 ks
12 T 1 Tranzistor BC …. 1 ks
93
Úkol
Vyrob a zkontroluj plošný spoj.
Osaď plošný spoj.
Oživ zapojení.
Proveď měření na přípravcích.
94
PRACOVNÍ ÚKOL
Jednoduchý ovladač krokových motorků
Krokové motorky jsou využívány v nejrůznějších zařízeních. Jejich výhodou je možnost přesně
definovat počet otáček, případně i pouhé úhlové natočení hřídelky v závislosti na počtu řídících impulsů.
Proto jsou nejčastěji řízeny mikroprocesorovými ovladači. Pro jednoduché aplikace, případně pro
testování, ale vystačíme s jednodušším zapojením, které umožňuje pouze měnit směr otáčení a motorek
spouštět a zastavovat. Rychlost otáčení u níže popsaného ovladače je možné nastavit pomocí trimru.
Popis funkce
Schéma zapojení ovladače si můžeme prohlédnout níže obr. 6. Základem obvodu je generátor impulsů,
tvořený hradlem IC2B (MOS4093). Kmitočet, odpovídající rychlosti otáčení motoru, je možné nastavit
trimrem P1. Hradlo IC2A klíčuje impulsy z generátoru v závislosti na stisknutí tlačítka S2
START/STOP. Výstup z IC2A je pak přiveden na hodinové vstupy klopných obvodů J-K MOS4027
(IC3). Tlačítkem S1 volíme směr otáčení motoru, tedy sled řídících impulsů. Ty jsou generovány
z dvojice vzájemně invertovaných výstupů obvodu IC3B a IC3A. Těmito výstupy jsou přes rezistor 100
Ω buzeny přímo spínací tranzistory MOSFET T1 až T4. V jejich obvodech jsou zapojena jednotlivá
vynutí krokového motorku. Ten je připojen konektorem K2. Ovladač je napájen z externího zdroje 12
V konektorem K1.
Obr. 6 Schéma zapojení ovladače.
Stavba obvodu
Ovladač krokového motorku je zhotoven na desce plošných spojů obr.7. Rozložení součástek na desce
plošných spojů znázorňuje obr.8. Zapojení samo je poměrně jednoduché. Jediným nastavovacím prvkem
ovladače je trimr P1 pro řízení rychlosti otáček motoru. Obvod obsahuje tři pouzdra z řady běžných
obvodů CMOS. Spínací tranzistory MOSFET lze použít i jiných typů, ovšem záleží na výkonových
vlastnostech připojovaného motorku.
Popsaný ovladač slouží jako velmi jednoduchý řídící modul pro připojení krokového motorku.
Vzhledem k principu činnosti vyžaduje krokový motor specifický, fázově posunutý budící signál.
95
Uvedené zařízení jej s minimálními nároky generuje a obsahuje navíc i možnost změny směru
a rychlosti otáčení. Hotové provedení je na obr. 9.
Obr. 7 Plošný spoj
Obr. 8 Osazení plošného spoje
96
Obr. 9 Hotové provedení
Seznam součástek
1. IO1 CD 4070 IO
2. IO2 CD 4093 IO
3. IO3 CD 4027 IO
4. R1,R2 1 k rezistor
5. R3 10 k rezistor
6. R4–R7 100 R rezistor
7. T1–T4 BUZ 78 tranzistor
8. D1–D4 1N4148 dioda
9. C1 470 µF kondenzátor
10. C2 470 nF kondenzátor
11. C3 100 Nf kondenzátor
12. S1,S2 spínací tlačítko
13. K1 ARK 210/2 konektor
14. K2 PHDR – 6 konektor
97
Úkol
Zapojení dle obr. 7 proveď v programu Multisim.
V programu Multisim proveď měření osciloskopy dle obr. 10, obr. 11, obr. 12.
Vyrob plošný spoj obr. 7.
Osaď plošný spoj součástkami obr. 8.
Připoj krokový motorek.
Oživ zapojení ovladače krok. motorku.
Proveď měření osciloskopem, porovnej s měřením v programu Multisim
Obr. 10 Zapojení v programu Multisim
98
Obr. 11 Zobrazení sciloskopu XSC 2
Obr. 12 Zobrazení osciloskopu XSC 1
99
13. Elektronické zabezpečovací systémy
EZS
13.1. Úvod do predmětu
POZOR
Předmět zabezpečovací systémy je zaměřen na problematiku ochrany nejrůznějších typu aktiv (např.
budov, předmětů, peněz apod.) před působením různých hrozeb (např. požár, zloděj apod.).
Soudobá technika zabezpečovacích systémů má své počátky v polovině 19. století. Jeden z prvních
zabezpečovacích systémů byl centralizovaný systém telegrafního hlášení vzniku požáru, který byl v roce
1847 zaveden v New Yorku.
POZNÁMKA
V roce 1851 byl v Bostonu zaveden systém veřejných telegrafních hlásičů. V roce 1858 pan E. T.
Holmes vytvořil první stavebnicový systém elektrické zabezpečovací signalizace probudovy. V Bostonu
i v New Yorku vytvořil centrály, které stav ve střežených budovách nepřetržitě monitorovaly.
Do poloviny 20. století se technická řešení zabezpečovacích systémů prakticky neměnila. Tyto systémy
byly založeny na kontaktech a později doplněné reléovou technikou. Ve druhé polovině 20. století však
rozvoj polovodičové techniky umožnil aplikaci a využití nových fyzikálních principů (např. detekce
útočníka pomocí měření teploty).
V současné době se technika zabezpečovacích systémů prudce vyvíjí snižování cen elektronických
součástek a možnosti procesorů dovolují široké a různorodé aplikace. Současně také existuje poptávka
po těchto systémech. Se zvyšováním ceny chráněných systémů a s jejich rostoucím významem pro
společnost (např. dopravní systémy, elektrorozvodné systémy apod.) je nutné zajistit jejich ochranu před
úmyslnými útoky (např. sabotážemi), neúmyslnými haváriemi i před přírodními pohromami.
13.2. Základní pojmy
K těmto pojmům naleží:
Aktiva
Vše, co je považováno za cenné. Aktiva mohou mít materiální formu (věci, osoby, budovy) nebo
abstraktní podobu (informace, práva, služby apod.).
100
Hrozba
Jakákoliv možnost ztráty aktiv.
Každá hrozba je daná:
nositelem hrozby (kdo nebo co způsobuje hrozbu)
objektem hrozby (co je ohroženo)
mechanismem hrozby (jak dojde ke ztrátě)
Příkladem hrozby je možnost ztráty důvěrných informací přenášených firemní bezdrátovou lokální sítí
(WLAN) prostřednictvím odposlechu instalovaného konkurenční firmou. Nositelem zmíněné hrozby je
operátor najatý konkurenční firmou, objektem hrozby jsou důvěrné firemní informace a mechanismem
hrozby je odposlech komunikace v nedostatečně chráněné firemní WLAN.
Nositelem hrozby mohou být osoby nebo samovolné události. Osobami se rozumí personál IS, uživatelé
IS nebo osoby mimo IS. Samovolnými událostmi se rozumí události, které vznikají nezávisle na vůli
osob (např. zátopa, požár, blesk). Objektem hrozby jsou vždy nějaká konkrétní aktiva. Mechanismy
hrozeb jsou velmi různorodé (např. zatopení, spálení, odposlech, zfalšování, vyfotografovaní), přičemž
s novými technologiemi se objevují nové mechanismy.
Ochrana
Jakékoliv opatření, které snižuje četnost a velikost ztrát aktiv.
Tato opatření mohou mít charakter:
1) technický – např. šifrátor k ochraně přenášených dat, antivirový program k eliminaci
počítačových viru,
2) personální – např. prověrky personálu k vyloučení neloajálních osob, ostraha k zamezení
přístupu neoprávněných osob,
3) organizační – např. směrnice stanovující práva a povinnosti zaměstnanců, bezpečnostní
management.
Bezpečnost
Stav, kdy ztráty aktiv nepřekračují stanovenou míru.
Ztráty aktiv nikdy není možné zcela vyloučit. Lze je pouze použitím vhodných ochran omezit na
stanovenou míru. Akceptovatelnou míru ztrát svých aktiv stanovuje jejich majitel s ohledem na velikost
nákladů spojených s ochranou těchto aktiv.
Zabezpečení
Systém ochran určeny ke komplexní, systematické a efektivní ochraně aktiv.
Zabezpečení je tedy souhrn vhodně volených a navzájem navazujících ochran tak, aby byla zajištěna
požadovaná bezpečnost a zároveň aby náklady na tyto ochrany byly přiměřené. Za správu zabezpečení
odpovídá tzv. bezpečnostní management.
Slabina
Chybějící nebo nedostačující součást zabezpečení.
V důsledku existence slabiny může dojít k nepřijatelně vysoké ztrátě aktiv. Slabinou je například
neexistence kontroly vstupu do budovy, použití nekvalitních přístupových hesel apod.
Incident
101
Jakákoliv realizace (tj. uskutečnění) hrozby. Příkladem incidentu je například pokus o přihlášení pod
cizím jménem, vymazaní záložních dat, požár serveru apod.
Průnik
Incident, při kterém došlo ke ztrátě aktiv.
V rámci bezpečnosti každé organizace existují tři základní subjekty: autorita, uživatel a útočník.
Autorita
Osoba nebo orgán (zpravidla majitel či správce aktiv), který rozhoduje o tom, kdo smí a v jakém
rozsahu k aktivu přistupovat (tj. jaká má práva). Uvedené rozhodnutí se nazývá autorizace.
Uživatel
Autorizovaná osoba, která je loajální (tzn. s aktivy organizace provádí pouze činnosti, ke kterým
dostala od autority oprávnění).
Útočník
Osoba, která s aktivy organizace provádí činnosti, k nimž nemá oprávnění.
Útočníkem může byt osoba mimo organizaci, ale také autorizovaná osoba, která usiluje o uživatelská
práva nad rámec svých oprávnění. Incident iniciovaný útočníkem se nazývá útok.
Bezpečnost aktiv
Stav, kdy jsou aktiva organizace v požadované míře chráněna před zneužitím, modifikaci nebo
ztrátou.
Zneužitím se rozumí možnost útočníka využívat aktiva organizace (např. tisk důvěrné informace, platba
z cizího účtu apod.). Modifikací se rozumí možnost nositele hrozby (tj. útočníka, ale i samovolné
události) aktiva organizace upravovat, nahrazovat, či vkládat. V případě útočníka se například jedná
o možnost vkládat nepravdivé informace, připojovat do zabezpečovacího systému vlastní prvky apod.
V případě samovolné události se například jedná o možnost modifikace přenášené zprávy v důsledku
šumu v kanále nebo o vytvoření parazitního kanálu v důsledku nespolehlivého připojení kabelu apod.
Ztrátou se rozumí možnost, že nositel hrozby uživatelům znemožní aktiva organizace využívat.
V případě útočníka se jedná například o zablokování serveru nebo o rušení komunikačního kanálu.
V případě samovolné události se například jedná o vyhoření místnosti s komunikačním uzlem nebo
o přerušení dodávky elektrické energie.
13.2.1. Aspekty bezpečnosti aktiv
Bezpečnost aktiv má tři základní aspekty – dostupnost, autentičnost a důvěrnost.
Dostupnost aktiv
Záruka, že uživatelé budou moci aktiva kdykoliv použit.
Jinými slovy to znamená, že aktiva budou dostupná v časových relacích, kdy jejich využití bude mít
ještě nějaký smysl. Tyto časové relace jsou obecně různé. Jiné časové prodlevy budou akceptovatelné
například při sestřelovaní útočícího letadla a jiné při zpracovávání kancelářských dokumentů. Jiné
102
časové prodlevy budou přijatelné v běžném provozu organizace a jiné v době, kdy se organizace
zotavuje po nějaké havárii (např. rozsáhlém požáru).
Autentičnost aktiv
Záruka, že aktiva jsou původní, pocházející od uvedeného zdroje a vznikla v uvedeném čase.
Jinými slovy to znamená, že aktiva organizace jsou důvěryhodná a nikoliv nastrčena nebo klamná.
Například pokud ostraha sleduje obraz bezpečnostními kamerami, tak musí mít důvěru v to, že co vidí je
aktuální skutečnost a ne několik hodin starý záznam.
Důvěrnost aktiv
Záruka, že aktiva jsou dostupná pouze uživatelům.
Tento požadavek vyjadřuje to, že aktiva mohou využívat pouze autorizované osoby a nemůže je
zneužívat nějaký útočník.
13.2.2. Minimalizace ztrát aktiv
Cílem zajištění bezpečnosti organizace je minimalizace ztrát aktiv.
Toho lze dosáhnout:
a) minimalizaci nositelů hrozeb
b) blokováním mechanismů hrozeb
c) minimalizaci dopadů hrozeb
Příkladem minimalizace nositelů hrozeb je omezení vstupu cizích osob do budov, kde se aktiva
nacházejí. Dalším příkladem jsou školení a prověrky uživatelů. Tím, že tyto osoby jsou řádně připraveny
a loajální, se sníží počet bezpečnostních incidentů v důsledku neúmyslných chyb v obsluze nebo
záměrných útoků vedených snahou poškodit zaměstnavatele. Posledním, jak minimalizovat nositele
hrozby, jsou směrnice o práci s ohněm, kterými lze minimalizovat pravděpodobnost vzniku požáru.
Příkladem blokovaní mechanismu hrozeb je použití rádiových rušiček v jednacích místnostech
organizace. Tím je znemožněn rádiový odposlech jednaní. Dalším příkladem blokování je šifrovaná
komunikace. V případě odposlechu takovéto komunikace útočnici nejsou schopni zjistit, jaké informace
byly přeneseny.
Příkladem minimalizace dopadu hrozby je zálohovaní informací. Pokud dojde k destrukci dat na
serveru, pak je možné ztracená data obnovit ze záložního média. Dalším příkladem minimalizace
dopadu hrozby jsou protipožární opatření. Tím, že rozmístíme po budově hasicí přístroje, tak významně
snížíme pravděpodobnost toho, že případný požár napáchá významnější škody.
V souvislosti s problematikou zajišťovaní bezpečnosti organizace je zapotřebí zdůraznit, že se jedná
o nepřetržitý proces, který začíná se vznikem organizace a končí až při případném zániku organizace.
Daným specifickým rysem zabezpečovaní je nutnost průběžných inovací ochran. Tato skutečnost je
zapříčiněna tím, že nové technologie umožňují nové útoky na aktiva organizace. Vznikají tak nové
hrozby a pro ty je zapotřebí hledat a implementovat nové typy ochran.
103
13.3. Ústředna EZS
POZOR
Ústředna EZS je jádrem celého systému elektrické zabezpečovací signalizace.
V systému EZS zpravidla plní následující funkce:
přijímá a vyhodnocuje signály z čidel
ovládá signalizační zařízení (např. sirénu)
umožňuje nastavení a řízení systému
zajišťuje diagnostiku systému
zajišťuje napájeni připojených zařízení
V zásadě lze ústředny rozdělit následovně:
kabelové
radiové
13.3.1. Kabelové ústředny
Jsou propojeny se svými prvky pomocí kabelu a rádiové ústředny komunikují se svými prvky
prostřednictvím rádiového spoje. Výhodou radiových EZS je vysoká variabilita rozmístění čidel, ale
nevýhodami jsou vyšší cena, možnost rušení rádiové komunikace a nutnost autonomního napájeni čidel.
Kabelové ústředny se podle připojení a komunikace s čidly klasifikují:
smyčkové
sběrnicové
hybridní
13.3.1.1. Smyčkové ústředny
Smyčkové ústředny jsou historicky nejstarší. Původně byla čidla připojována do proudových smyček
ústředny, kdy v klidovém stavu protékal smyčkou elektricky proud. V případě poplachu rozpínací
kontakt čidla (tzv. poplachovy vypínač) smyčku přerušil, ústředna detekovala zánik proudu a následně
indikovala poplach u daného čidla. Indikace poplachu zánikem proudu ve smyčce však není příliš
bezpečná. Útočník jednoduše před čidly zkratuje poplachovou smyčku a poté může narušit střeženy
prostor, protože rozpojení smyček v čidlech již ústředna nemůže detekovat. V současne době se proto
používají odporově vyvážené smyčky. Ústředna v tomto případě nesleduje velikost proudu ve smyčce,
ale odpor smyčky.
V dalším vývoji však praxe ukázala, ze útočník může čidlo vyřadit tím, že odmontuje jeho plášť
a poplachový vypínač čidla přemostí. Z tohoto důvodu se do čidel začaly montovat tzv. sabotážní
vypínače, které měly detekovat sejmuti pláště čidla. To však prakticky vedlo ke zdvojnásobení počtu
smyček, protože jedna smyčka byla rozpínána poplachovým vypínačem a druhá byla rozpínaná
sabotážním vypínačem. Navíc čidla postupem času začala byt vybavovaná elektronikou, což si vyžádalo
další dvojici vodičů pro napájeni. Připadně další funkce čidla, jako například dálkové nastaveni čidla
apod., si vynutily další vodiče. Nevýhodou smyčkových ústředen je tak složitý a komplikovaný
kabelový rozvod. Ke snížení počtu vodičů se proto v současné době nejčastěji používá tzv. dvojitě
104
vyvážena smyčka (viz obr. 15.1). Výhodou tohoto zapojeni je skutečnost, ze poplachový i sabotážní
vypínač jsou v jediné smyčce. Jednotlivé možné stavy smyčky uvádí tabulka tab. 15.1.
Obr. 15.1: Příklad dvojitě vyvážené smyčky.
Popis stavu Vypínač
poplach
Vypínač
sabotáž
Odpor
smyčky
klidový stav sepnuto sepnuto 2k2
poplach vypnuto sepnuto 4k4
sabotáž odkrytováním nebo odpojením čidla sepnuto vypnuto
sabotáž zkratem smyčky sepnuto sepnuto 0
tab. 15.1: Tabulka stavu dvojitě vyvážené smyčky.
13.3.1.2. Sběrnicové ústředny
Sběrnicová ústředna (jinak také označována jako ústředna s přímou adresaci čidel). V tomto případě je
z ústředny vyvedena společná datová sběrnice, na kterou se čidla připojují. Ke komunikaci na sběrnici
se zpravidla používá standard RS 485, protože umožňuje přenos dat přijatelnou rychlosti (desítky kb/s)
na vzdálenost stovek metru s dobrou odolnosti vůči poruchám a rušení. Datová sběrnice EZS je obvykle
realizovaná krouceným párem, přenášené bity jsou reprezentován polaritou napětí mezi vodici
krouceného páru a komunikační protokol je typu dotaz-odpověď. Dotazy přitom vysílá ústředna
a odpovědi zasílají čidla. Každé čidlo má svoji unikátní adresu, a tak nedochází ke kolizím. Výhodou
tohoto typu ústředny je jednoduchá kabeláž, ale čidla jsou komplikovanější a dražší. V důsledku
protikladu mezi požadavkem na rychlou odezvu systému a nízkou přenosovou rychlost na sběrnici, je
počet čidel omezen (řádově desítky).
13.3.1.3. Hybridní ústředny
Hybridní ústředna princip tohoto řešeni spočívá v kombinaci obou výše popsaných typů. Na společnou
sběrnici ústředny jsou připojeny tzv. koncentrátory. Tato zařízení komunikuji s ústřednou podobně jako
čidla u sběrnicové ústředny. Na koncentrátory se pak smyčkami připojují jednotlivá čidla. Každý
koncentrátor nepřetržitě monitoruje určitý počet čidel a současně ústředna cyklicky zasílá výzvy
jednotlivým koncentrátorům. Pokud jsou všechna čidla koncentrátoru v klidovém stavu, tak
koncentrátor v odpovědi zasílá informaci, že je vše v pořádku. V opačném případě v odpovědi ustředně
zašle informaci, která jeho čidla vyhlásila poplach. Popsané řešeni je dobrým kompromisem z hlediska
složitosti kabeláže a nákladu na systém. Principy popsaných kabelových ústředen ilustruje obr. 15.2.
105
13.3.2. Rádiové ústředny EZS
Jsou prakticky sběrnicové ústředny s tím rozdílem, ze sběrnice je rádiová, většinou v pásmu 433 MHz.
Přenos dat je poloduplexni, tj. ústředna vyšle dotaz a adresované čidlo na stejném kmitočtu odešle
odpověď. Dosah sběrnice je ve volném prostoru až stovky metru. Nevýhodou rádiových systémů je
možnost jejich rušení, možnost vysílání klamných signálu a potřeba autonomního napájeni jednotlivých
čidel.
K ochraně před záměrným i neúmyslným rušením jsou modernejší systémy vybaveny kmitočtovou
adaptaci, která umožňuje automatické vyhledáni a naladěni nerušeného kmitočtu. K ochraně před
klamnou signalizaci jsou prvky systému vybaveny tzv. plovoucím kódem. Plovoucí kód je časově
proměnný kód, který prvkům EZS slouží k autentizaci předavaných dat. Principem je to, že všechny
prvky systému znají tajný klíč K a přesný čas T. Na jejich základě, odvozuji plovoucí kód к = H(K, T),
kde H je nějaká jednosměrná funkce. Vysílací stanice k vyslaným datum vždy připojí kód к. Přijímací
stanice vypočítá vlastní kód a pokud vypočtená i přijatá hodnota plovoucího kódu odpovídá, tak jsou
přijatá data akceptovaná. Případný utočník nezná tajný klíč K a v důsledku jednosměrnosti funkce H jej
ze zachycených hodnot kódu nedokáže zjistit. Jím vyslaná data tak prvky systému ignoruji. Ignoruji
i data, které utočník zachytil z jejich vzájemné komunikace a zopakoval je. To je dáno tím, že plovoucí
kód je pro různé časy různý.
Problém s napájením čidel se řeší tak, že pokud má baterie čidla nízkou kapacitu, tak čidlo při své
nejbližší odpovědi na tuto skutečnost ústřednu EZS upozorní.
Obr. 15.2
Typy kabelových EZS ústředen
a) smyčková
b) sběrnicová
c) hybridní
Legenda
U – ústředna EZS
K – koncentrátor
О – čidlo
Na ústřednu se kromě čidel připojují ovládací klávesnice, které uživatelům dovolují řídit a nastavovat
režim ústředny, a dále i signalizační prvky, které indikují vyhlášený poplach.
106
Zpravidla se jedna o sirény nebo světelné majáky.
Příklady některých zakladních komponent EZS
ústředna klávesnice siréna
Obr. 15.3.: Základní komponenty EZS
DŮLEŽITÉ
Dalším důležitým komunikačním kanálem ústředny EZS je kanál na tzv. pult centrální ochrany (PCO).
Tento pult je zpravidla počítač umístěný u ostrahy objektu, v policejní služebně nebo v bezpečnostní
agentuře. Tímto kanálem ústředna předavá informace o poplachu a příslušný personál může okamžitě
a přesně reagovat. Kromě poplachových informaci lze přenášet i další informace, jako například o stavu
EZS a o stavu jednotlivých čidel.
POZNÁMKA
Počítač PCO je v tomto případě vybaven softwarem, který umožňuje přijaté zprávy archivovat
a přehledné zobrazovat (viz obr 15.4.).
Spojení mezi ústřednou EZS a PCO bývá velmi variabilní (např. pomoci RS 232, modem po telefonní
lince, SMS zprávou v síti GSM apod.).
Obr.15.4.: Program prosledovaní stavu EZS na počítači
107
13.4. Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Kabelové ústředny rozdělujeme podle připojení a komunikace:
Odpověď:
smyčkové
sběrnicové
hybridní
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Co znamená zkratka PCO, popište funkci.
Odpověď: Pult centrální ochrany. Jedná se zpravidla o počítač umístěný u ostrahy objektu. Tímto
kanálem ústředna předavá informace o poplachu, stavu EZS a čidel.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Jaké jsou základní komponenty EZS?
Odpověď:
ústředna
klávesnice
siréna
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Jak také označujeme sběrnicovou ústřednu?
Odpověď: Jako ústřednu s přímou adresaci čidel.
KONTROLNÍ OTÁZKA
Otázka: Co znamená dvojitě vyvážená smyčka?
Odpověď: Snížení počtu vodičů pomocí odporů.
108
13.5. Souborná práce EZS
PRACOVNÍ ÚKOL
Téma 1: Výpočet odporu poplachové smyčky.
Teorie
Jednotlivá čidla EZS (napájená i nenapájená) jsou pomocí vícežilového stíněného kabelu zapojena do
poplachové nebo tísňové a zajišťovací (sabotážní) smyčky. Elektrické parametry všech druhů smyček
jsou shodné, liší se pouze způsobem hlášení svého narušení. Počet vstupů smyček je dán typem ústředny
a může se prakticky pohybovat od 4 smyček až po stovky smyček.
Vstupní obvody nejjednodušších ústředen bývají obvykle velmi primitivní a jsou schopny vyhodnotit
dva základní stavy, a to „smyčka uzavřená“ nebo „smyčka rozpojená“. Jako správný funkční stav se volí
stav "smyčka uzavřená", neboť pak každý destruktivní zásah do čidla nebo kabelové sítě vede
k poplachovému stavu „smyčka rozpojená“.
Vstupní vyhodnocovací obvody ústředen vyššího standardu (stupně zabezpečení dle ČSN EN 50 131 –
1) jsou dokonalejší a pracují jako přesné odporové děliče nebo jako vyvážené měřicí můstky, u kterých
je napětí na děliči, nebo v diagonále můstku úměrné velikosti rozvážení děliče nebo můstku. Toto
"chybové" napětí je přiváděno na obvod napěťového komparátoru, který při překročení určité meze
překlopí svůj výstup a způsobí tak odpovídající reakci v logických obvodech ústředny. Z uvedeného
vyplývá, že takový vstupní obvod ústředny musí být zakončen odporem o definované hodnotě
a toleranci. Velikosti zakončovacích odporů jsou pro různé typy ústředen různé (odpory zpravidla
dodává výrobce spolu s ústřednou) a pohybují se v rozmezí od 1 k do 12 k. Ústředny pracují
s rozvážením vstupního odporu v rozmezí +/– 30 % až +/– 2 %.
Na vstup ústředny je připojena smyčka, která je tvořena kontakty poplachových relé čidel, kabeláží
a zakončovacím odporem. Je zřejmé, že výsledná hodnota odporu smyčky je dána hodnotou vlastního
zakončovacího odporu, zvýšenou o odpor vedení a o hodnoty přechodových odporů kontaktů výstupních
relé čidel. Přechodové odpory kontaktů výstupních relé čidel lze v praxi zanedbat, neboť jsou řádově ve
srovnání s hodnotou zakončovacích odporů velmi malé. Výrobci však často osazují do čidel sériový
odpor kontaktu relé, řádově 10 . Při zapojení většího počtu čidel do jedné smyčky je pak nutno
s těmito odpory počítat!
Výsledná hodnota odporu smyčky je pak dána součtem:
Rc = Rz + Rv + Rs
kde:
Rc – je celkový odpor smyčky,
Rz – jsou hodnoty zakončovacího odporu,
Rv – jsou hodnoty odporu spojovacího vedení,
Rs – jsouhodnota sériových odporů poplachových kontaktů jednotlivých čidel.
Z tohoto hlediska je nezbytné pro rozsáhlé systémy používat kabely s dostatečným průřezem žil nebo
volit ústředny pracující s vyššími hodnotami zakončovacích odporů. V obou případech se tím dosáhne
toho, že hodnota odporu spojovacího vedení bude relativně malá proti hodnotě zakončovacího odporu a
„vejde“ se tak do jeho povolené tolerance. Pokud tohoto stavu není možné dosáhnout, pak je nezbytné
109
zvolit takový zakončovací odpor, aby výsledný odpor celé smyčky byl v povolené toleranci. Některé
ústředny mají vstupní odvody zdokonaleny tak, že si ústředna po spuštění změří skutečné hodnoty
odporů smyček a vykompenzuje své vstupy tak, aby chybové napětí vstupního měřicího můstku bylo
blízké nule. Od takto získané hodnoty odporu smyčky pak odvozuje všechny změny odporu smyčky.
Vedle klasické vyvážené diferenciální smyčky se s rozvojem techniky A/D převodníků objevují
i systémy s tzv. "dvojitě vyváženou smyčkou", kdy je možné pomocí jediného smyčkového vedení
vyhodnotit jak poplachové hlášení, tak i neoprávněný zásah do čidla či přerušení smyčkového vedení
Úkoly
Nakreslete symbolicky náhradní schéma a VA-charakteristiku smyčky se zakončovacím odporem
10 kΩ a rozvážením +/– 20 %.
110
PRACOVNÍ ÚKOL
Téma 2: Výpočet kapacity náhradního zdroje.
Teorie
(Výpis požadavků normy ČSN EN 50 131-1 a 131-6 na provedení napájecích zdrojů)
Typy napájecích zdrojů
A) Energie je dodávána z vnějšího zdroje energie (např. sítě), a v případě jeho výpadku je energie
dodávána z dobíjeného náhradního zdroje energie (např akumulátor), který je automaticky dobíjen
z vnějšího zdroje energie.
B) Energie je dodávána z vnějšího zdroje energie (např. sítě), a v případě jeho výpadku je energie
dodávána z dobíjeného náhradního zdroje energie (např lithiová baterie), který není automaticky
dobíjen z vnějšího zdroje energie.
C) Energie je dodávána pouze z náhradního zdroje, který je v tomto případě základním zdroj energie.
Doba pohotovosti v případě výpadku základního zdroje (síťového napájení)
Stupeň 1 Stupeň 2 Stupeň 3 Stupeň 4
Minimální doba pohotovosti 8 h 15 h 24 h 24 h
Z daného požadavku lze při návrhu systému EZS odvodit potřebnou kapacitu zálohovacího akumulátoru
a samozřejmě i potřebný výstupní proud napájecího zdroje.
Dobíjení náhradního zdroje (akumulátoru)
Stupeň 1 Stupeň 2 Stupeň 3 Stupeň 4
Maximální doba dobíjení 72 h 72 h 24 h 24 h
Poznámka: Za tuto dobu se akumulátor musí nabít na min. 80 % své kapacity.
Úkoly
1. Stanovte potřebnou kapacitu náhradního zdroje (akumulátoru) systému EZS ve stupni 3 při
odběru systému 1,2 A.
2. Stanovte celkový výkon základního napájecího zdroje potřebný pro napájení systému EZS
i dobíjení akumulátoru.
111
PRACOVNÍ ÚKOL
Téma 3: Výpočet dimenzování napájecích vodičů.
Teorie
Hodnota napájecího napětí v systémech EZS je 12 V +/– 10 %. Z tohoto požadavku vyplývá minimální
hodnota napětí na konci napájecí větve kabelového rozvodu.
Čidla (detektory) mají zpravidla toleranci napájení 12 V +/– 25 %. To znamená, že na konci napájecí
větve nesmí být na detektoru napětí menši než 9 V.
Úloha
Pro předloženou kabelovou sí'ť rozhodněte, zda je možno použít kabel SYKFY s měděnými žílami
o průměru 0,5 mm, Cu, či zda je nutno zvolit jiný průměr kabelu.
Ústředna s napájecím zdrojem
rozbočovací krabice
rozbočovací krabice
100 m 50 m
25 m
10 m
čidlo 50 mA
čidlo 5 mA
čidlo 25 mA
čidlo 25 mA
25 m
25 m
112
Interaktivní slovník
aktivní součástka, aktivní součástky
Jsou prvky, jejichž elektrické vlastnosti (odpor, kapacita, přenosové vlastnosti aj.) jsou proměnné
a řiditelné změnou napětí nebo proudu přivedeného na jejich vývody. Sem řadíme zdroje, elektronky,
tranzistory, operační zesilovače a některé druhy diod.
pasivní součástka, pasivní součástky
Mají elektrické vlastnosti stálé a nezávislé na přiváděném napětí nebo proudu. Jsou to např. rezistory,
kondenzátory, cívky, potenciometry atd.
konstrukční součástka, konstrukční součástky
Uplatňují v elektronickém zařízení buď funkcí čistě mechanickou (skříně, kostry, panely, ovládací
knoflíky aj.), nebo funkcí elektromechanickou (spínače, přepínače, desky s plošnými spoji, konektory,
svorkovnice), nebo mohou plnit funkci elektroakustických nebo elektromechanických měničů
(reproduktory, mikrofony, relé, motorky apod.).
DIL
(Dual In Line) Plastové dvouřadé pouzdro pro integrované analogové a číslicové obvody s 6 až 40
vývody.
pájedlo
Nástroj pro pájení, podle velikosti pájených předmětů musíme použít odpovídající výkon pájedla.
pájka
Slitina cínu a olova s příměsí jiných kovů. Podle použití musíme mít vhodný typ pájky.
PMOS, NMOS, VMOS, CMOS
Complementary Metal–Oxide–Semiconductor – moderní součástky, mezi jejich nejdůležitější vlastnosti
patří vysoká odolnost proti šumu a nízká spotřeba ve statickém stavu. Více energie se spotřebovává
pouze na přepínání mezi zapnutým a vypnutým stavem tranzistoru. Technologie také umožňuje vyšší
hustotu prvků na čipu. Jsou extrémně citlivé na statický náboj.
SMD
Surface Mounted Devices – aktivní, pasivní a částečně i některé elektromechanické součásti pro
povrchovou montáž.
SMT
Surface Mounted Technologie – způsob osazování a technika povrchové montáže.
113
SMA
Surface Mounted Assembly – způsob kompletace technikou povrchové montáže.
SMD/C
Surface Mount Devices/Components – SMD součástky pro povrchovou montáž.
SMP
Surface Mount Packages – provedení pouzder součástek pro povrchovou montáž.
SME
Surface Mount Equipment – zařízení pro povrchovou montáž.
měření
Je souhrn úkonů, které slouží ke zjištění číselné hodnoty veličiny pomocí měřících prostředků.
měřicí prostředky
Jsou zařízení nutná k provedení měření.
měřicí přístroje
Jsou měřící prostředky, které slouží k převedení velikosti měřené veličiny na analogový nebo číslicový
údaj.
analogový údaj, analogové údaje
Je údaj, který se získá odečtením výchylky ukazatele (ručka, světelná stopa) na stupnici měřicího
přístroje.
číslicový údaj, číslicové údaje
Se získává přímým odečtením číselné hodnoty měřené veličiny z displeje měřicího přístroje.
měřicí rozsah, měřicí rozsahy
Udává velikost měřené veličiny pro plnou výchylku u analogových přístrojů a maximální velikost
měřené veličiny u digitálních přístrojů.
EZS
Elektronické zabezpečovací systémy.
aktiva
EZS: Vše, co je považováno za cenné.
114
hrozba
EZS: Jakákoliv možnost ztráty aktiv.
ochrana
EZS: Jakékoliv opatření, které snižuje četnost a velikost ztrát aktiv.
bezpečnost
EZS: Stav, kdy ztráty aktiv nepřekračují stanovenou míru.
zabezpečení
EZS: Systém ochran určeny ke komplexní, systematické a efektivní ochraně aktiv.
slabina
EZS: Chybějící nebo nedostačující součást zabezpečení.
incident
EZS: Jakákoliv realizace (tj. uskutečnění) hrozby.
průnik
EZS: Incident, při kterém došlo ke ztrátě aktiv.
autorita
EZS: Osoba nebo orgán, který rozhoduje o tom, kdo smí a v jakém rozsahu k aktivu přistupovat.
uživatel
EZS: Autorizovaná osoba, která je loajální.
útočník
EZS: Osoba, která s aktivy organizace provádí činnosti, k nimž nemá oprávnění.
bezpečnost aktiv
EZS: Stav, kdy jsou aktiva organizace v požadované míře chráněna před zneužitím, modifikaci nebo
ztrátou.
dostupnost aktiv
EZS: Záruka, že uživatelé budou moci aktiva kdykoliv použit.
autentičnost aktiv
115
EZS: Záruka, že aktiva jsou původní, pocházející od uvedeného zdroje a vznikla v uvedeném čase.
důvěrnost aktiv
EZS: Záruka, že aktiva jsou dostupná pouze uživatelům.
