Zápisy do sešitu

Vlevo je elektromagnetický oscilátor. Kapacitu kondenzátoru lze měnit, tím se mění frekvence vlastních kmitů a můžeme tak naladit požadovanou stanici (jejíž nosná frekvence je stejná jako frekvence vlastních kmitů v obvodu).

Dále je hrotová dioda - ta "ořízne" polovinu signálu - tak se původně symetrický amplitudově modulovaný signál A (s nulovou stejnosměrnou složkou) změní na signál B, jehož stejnosměrná složka je nenulová a mění se v rytmu modulační obálky. Pak je tu paralelní zapojení rezistoru a kondenzátoru. Kondenzátor má malou impedanci pro vysokofrekvenční proud a velkou impedanci pro nízkofrekvenční proud; impedance rezistoru na frekvenci nezávisí. Vysokofrekvenční složka (nosná vlna) tedy prochází kondenzátorem a nízkofrekvenční složka (užitečný signál) rezistorem. Když místo rezistoru zapojíme sluchátka, uslyšíme zvukový signál.

Vezmeme elektromagnetický oscilátor - LC obvod. Napětí na kondenzátoru oscilačního LC obvodu je maximální v případě rezonance. Když nyní naladíme obvod tak, aby frekvence nemodulované nosné f_N nebyla jeho rezonanční frekvencí, ale ležela ”na boku” jeho rezonanční křivky, např. na vysokofrekvenční straně, pak při snížení frekvence nosné z hodnoty f_N na hodnotu f_N-D f, vzroste amplituda napětí nakmitaného na rezonančním obvodu a při zvýšení kmitočtu z hodnoty f_N na hodnotu f_N+D f tato amplituda klesne. Převedli jsme tedy kmitočtovou modulaci na modulaci amplitudovou, kterou již můžeme detekovat způsobem běžným pro detekci amplitudově modulovaného signálu, např. diodovým detektorem ¤.

Princip: mají-li dva harmonické signály konstantní rozdíl fáze vzhledem k času, musí být jejich kmitočty naprosto přesně shodné.

Fázový závěs se skládá z generátoru, jehož kmitočet je řízen napětím (VCO ¤) a z fázového detektoru (FD), jehož výstupem je napětí přivedené na vstup VCO pro řízení frekvence. Fázový detektor určuje v nejjednodušším případě rozdíl fáze mezi vstupním kmitočtem, s jehož frekvencí chceme synchronizovat kmitočet VCO, a výstupním signálem z VCO.

Vysvětlení analogií:
Představme si dvě stejná auta jedoucí za sebou po rovné silnici na stejný převodový stupeň. Frekvenci nám představují otáčky motoru za 1 sekundu. Funkci fázového detektoru zastává bystré oko řidiče vzadu jedoucího vozidla, výstupem tohoto fázového detektoru je úhel sešlápnutí plynového pedálu (musíme předpokládat, že otáčky motoru jsou úměrné tomuto úhlu) a vstupním kmitočtem otáčky motoru vozu jedoucího vpředu. Bude-li vozidlo vzadu zachovávat konstantní rozdíl fáze vůči vozidlu jedoucímu vpředu, budou otáčky jeho motoru mít stejný kmitočet jako otáčky motoru vozu jedoucího vpředu.

Představme si nyní, že otáčky motoru vozu jedoucího vpředu jsou ”kmitočtově modulované”, tj. vůz vpředu pro jednoduchost periodicky mění svoji rychlost. Důvodem k tomu (tedy modulačním signálem) je periodická změna úhlu stlačení plynového pedálu vozu jedoucího vpředu v závislosti na čase. Bude-li řidič vozu jedoucího vzadu dostatečně rychlý (tj. bude-li náš fázový detektor schopen zareagovat na změnu fázového rozdílu), bude periodicky ubírat a přidávat plyn tak, aby fázový rozdíl (tedy vzdálenost) mezi vozy zůstával(a) konstantní. V důsledku toho budou otáčky motoru vozu jedoucího vzadu vždy v synchronismu s otáčkami motoru vozu vpředu. Jako ”vedlejší efekt” jsme ale získali signál úhlu stlačení pedálu druhého vozu v závislosti na čase, tedy signál, kterým byla původní nosná frekvence kmitočtově modulována; zkonstruovali jsme demodulátor kmitočtově modulovaného signálu. Obdobným postupem demoduluje kmitočtově modulovaný signál skutečný fázový závěs; výstupem demodulovaného signálu je řídicí napětí VCO (to je analogické úhlu stlačení pedálu).

Schéma rádiového přijímače

Přijímač musí se signálem z antény provést následující operace:
(1) vybrat nosný kmitočet požadované stanice,
(2) zesílit signál vybrané nosné vlny,
(3) demodulovat zesílený signál, tj. získat z něj původní informaci,
(4) zesílit signál z demodulátoru.

Zesílený signál uvádí do pohybu membránu reproduktoru a reprodukuje tak vysílaný zvuk.

Moderní rádio - principu superheterodynu. V přijímači je lokální oscilátor, směšovač a tzv. mezifrekvenční zesilovač.

Místní oscilátor generuje signál harmonického průběhu o kmitočtu f₀, který je o konstantní hodnotu (mezifrekvenční kmitočet) f_mfvyšší, než je nosný kmitočet f_Nstanice, kterou chceme poslouchat; f₀= f_N+ f_mf. Lokální oscilátor se tedy ladí souběžně s výběrem stanice.

Pro dlouhé, střední a krátké vlny bývá f_mf většinou 455 kHz, pro VKV se používá vyšší (většinou 10,7 MHz).

Když od sebe odečteme signál z antény a signál z lokálního oscilátoru, dostaneme náš užitečný signál namodulovaný na mezifrekvenčním kmitočtu.

Smícháním signálu z antény se signálem lokálního oscilátoru vznikne směs kmitočtů , které se dále zesilují mezifrekvenčním zesilovačem. Ten zesiluje jen signály s kmitočty ležícími v úzkém pásmu kmitočtů v okolí mezifrekvenčního kmitočtu; ostatní signály potlačí (jeho rezonanční křivka je velmi úzká).

Stereofonní vysílání a příjem

Stereofonní vysílání znamená vysílání dvou prakticky nezávislých informací v tomtéž přenosovém kanálu (kanálem nazýváme pásmo frekvencí přidělené vysílači pro jeho provoz). Těmito dvěma informacemi jsou signály získané při snímání zvukových efektů dvěma směrově citlivými mikrofony a mají u posluchače simulovat dojem přítomnosti u zvukového efektu, např. v koncertní síni. Stereo efekt je založen na tom, že při přítomnosti posluchače u plošného zdroje zvuku, jakým je např. filharmonické těleso, slyší levé ucho poněkud jiný signál než pravé a sloučením těchto vjemů v mozku vzniká prostorový dojem.

Vysílat a přijímat stereofonně přináší jednu velkou komplikaci a tou je slučitelnost (kompatibilita) s monofonním vysíláním.

Označme si signál levého mikrofonu písmenem L a pravého písmenem R. Při monofonním vysílání se vysílá součet obou signálů tedy L + R a tedy i stereofonní signál musí v první řadě obsahovat signál L + R. Monofonní přijímač dekóduje tento signál a reprodukuje jej v jediném reproduktoru. To je tedy kompatibilita s monofonním vysíláním.

Stereofonní vysílaný signál však může obsahovat ještě ”něco navíc”, pokud toto ”něco navíc” nebude škodit monofonnímu příjmu. Stereofonní přijímač pak z této dodatečné informace spolu s informací L + R vytvoří dva oddělené signály a bude je reprodukovat ve dvou reproduktorech, jeden nalevo od posluchače a druhý napravo. Aby rekonstrukce signálu byla jednoduchá, bylo rozhodnuto, že dalším signálem bude signál reprezentující rozdíl napětí pro levý a pravý kanál, tedy L - R. Tento signál je třeba přenést současně se signálem L + R.

Abychom mohli přenášet najednou dvě různé informace, ”posuneme” signál L - R na frekvenční ose tak, aby celá jeho šířka pásma se nekryla se šířkou pásma signálu L + R.

Signál L + R, tj. zvukový signál dobré kvality má šířku pásma od cca 50 Hz do 15 kHz. Bylo rozhodnuto, že se signál L - R posune po frekvenční ose tím, že se amplitudově namoduluje na kmitočet 38 kHz; tomuto kmitočtu říkáme subnosný kmitočet. Takto vzniklý signál se nazývá kompozitním signálem.

Kompozitní signál se celý namoduluje frekvenčně na nosný kmitočet a vyšle se do prostoru.

Televizní vysílání a příjem

Obraz se rozkládá na řádky, které obsahují jednotlivé obrazové body. Řádek je 625. Vzájemný poměr stran televizní obrazovky je šířka:výška = 4:3. Aby bylo rozlišení ve vodorovném směru stejné jako ve svislém směru, je počet obrazových bodů na řádek 4/3.625=832. Frekvence výměny obrázků je 50 Hz.

Šířka pásma obrazového signálu. Za předpokladu, že 1 perioda obrazového signálu tvoří 2 obrazové body (v minimu signálu je obrazový bod světlý, v maximu tmavý) bude za jednu sekundu potřeba 416 period na jeden řádek, 625 řádků na jeden obrázek a obrázků je 50 za sekundu. Vynásobením těchto tří čísel dostáváme hodnotu cca 13.10⁶ s^-1, tedy maximální frekvence takto tvořeného obrazového signálu (a tedy také šířka pásma) by byla 13 MHz. Takováto šířka pásma by kladla příliš velké nároky na šířku přenosového kanálu a byla proto snížena na polovinu zavedením tzv. prokládaného řádkování.

Obrázek se kreslí nejprve z lichých řádků, pak se elektronový paprsek vrátí na začátek obrazovky a kreslí druhou polovinu obrázku, tedy sudé řádky, a to přesně do mezery mezi lichými řádky. Při návratu zespoda na vršek obrazovky je elektronový paprsek zatemněn, a podobně při kreslení jednotlivých řádků se elektronový paprsek zatemňuje, běží-li zprava nalevo (řádky se kreslí zleva doprava). Zavedením prokládaného řádkování snížíme šířku pásma obrazového signálu na polovinu, tj. na 6,5 MHz.

Rozklad obrazu na jednotlivé řádky v televizní kameře a jeho opětovné nakreslení na televizní obrazovce musí probíhat naprosto synchronně, jinak by obraz na přijímači nebyl stabilní (jistě jste viděli televizní obraz rozpadnutý na pruhy, nebo beznadějně putující po obrazovce nahoru nebo dolů; to první je špatná synchronizace řádků, to druhé půlsnímků). Proto je nutné společně s obrazovou informací vysílat ještě časovou informaci o začátku každého řádku a o začátku každého půlsnímku. To se děje pomocí synchronizačních impulsů řádek a synchronizačních impulsů půlsnímků, které se rovněž začlení do obrazového signálu (časově do dob, kdy se elektronový paprsek zatemňuje a amplitudově do rozsahu, který je na obrazovce vnímán jako černá barva, takže obrázku na obrazovce nevadí).

Úplný televizní signál namodulujeme amplitudově na nosnou vlnu a přeneseme k anténě přijímače.

Nosný kmitočet zvuku je vyšší než nosný kmitočet obrazu a má od něj odstup 6,5 MHz.

Televizní přijímač je velmi podobný rozhlasovému až po demodulátor. Jediný rozdíl je v tom, že zvukový a obrazový signál se demodulují odděleně. Obrazový signál po svém dalším zesílení v obrazovém zesilovači na amplitudu řádově 100 V slouží k jasové modulaci elektronového paprsku obrazovky (připojuje se mezi katodu obrazovky Wehneltův válec ¤). Synchronizované výstupy z generátorů řádkového a snímkového rozkladu se přivádějí na dva páry vychylovacích cívek ¤, které způsobují magneticky vychylování elektronového paprsku.

Mobilní telefon

Na každou oblast připadá jeden vysílač. Vysílače mají poměrně malý výkon, takže jejich signál sice dosahuje k vysílačům v sousedních oblastech, ale už neovlivňuje vysílače v dalších oblastech. Stejně tak vysílač v telefonu má malý výkon (obvykle menší než 3 W) - signál nezasahuje příliš daleko a déle vydrží baterie.

Každý vysílač vysílá současně signály několika tisíc frekvencí. Kanál, na kterém může probíhat telefonický hovor, se skládá ze dvou frekvencí - na jedné účastník mluví, na druhé poslouchá. Několik desítek frekvencí je vyhrazených jako kontrolní frekvence - na nich probíhá komunikace telefonu s vysílačem.

Každý telefon má vlastní kód. Skládá se z 32 bitového čísla, které je nastaveno při výrobě telefonu, dále z části (odvozené z telefonního čísla), kterou je jednoznačně identifikován vlastník telefonu, a z části identifikující operátora.

Je-li telefon v dosahu nějakého vysílače, přijímá jeho kontrolní frekvenci. Sám přitom vysílá signál, který se ukládá do databáze systému (aby mohl být konkrétní telefon rychle nalezen, když je volán). Je-li volán, systém pomocí kontrolní frekvence přidělí frekvenci, na které bude hovor probíhat, a hovor spojí.

Když telefon přechází z oblasti vysílače A do oblasti vysílače B, pro vysílač A jeho signál slábne a pro B sílí. Při určité úrovni signálu se vysílače "domluví" a B si telefon převezme.

Digitální systémy konvertují hlas do binární informace, která se pak komprimuje (až desetkrát). Tedy může probíhat více hovorů najednou.

Elektrický proud v kapalinách

POKUS: Vezmeme nádobu, upevníme do ní dvě kovové desky a ty připojíme přes ampérmetr ke zdroji napětí. Do nádoby nalijme vodu. Obvodem prochází jen malý proud. Osolíme-li vodu, začne proud obvodem procházet.

Destilovaná voda nevede elektrický proud, protože v ní nejsou přítomny žádné volné částice s nábojem. Pokud do ní nasypeme sůl (chemicky NaCl), proběhne elektrolytická disociace - NaCl se rozloží na ionty Na⁺ a Cl^-. To už jsou volné částice s nábojem, proto po přiložení napětí obvodem elektrický proud prochází.

POKUS: Měření VA charakteristiky::
elektrolyt modrá skalice (CuSO₄)
anoda: měď
katoda: uhlík

Probíhají tyto reakce:
Elektrolytická disociace: CuSO₄ ---> Cu²⁺ + SO₄^2-Na katodě: Cu²⁺ + 2e^- ---> Cu (měď z roztoku získá od katody dva elektrony a vylučuje se na ní)
Na anodě: SO₄^2- ---> SO₄ + 2e^-SO₄ + Cu ---> CuSO₄ (SO₄ odevzdá anodě dva elektrony a "vezme si" z ní jeden atom mědi - anoda se rozpouští)

Koncentrace elektrolytu se nemění (jedna molekula CuSO₄ je na začátku reakce a rovněž jedna molekula CuSO₄ je na konci).

Toto je základ průmyslové metody zvané galvanické pokovování - nanášení tenkých vrstev jiného kovu na nějaký vodivý povrch (např. chromované kliky, nárazníky, ...). Předmět, který chceme pokovit, se použije jako katoda, kov, kterým budeme pokovovat, jako anoda a elektrolyt bude sůl tohoto kovu (v našem případě jsme pokovovali mědí, tedy elektrolyt byl CuSO₄).

Platí Ohmův zákon U = RI (U je napětí na elektrolytu, I proud jím procházející a R je odpor elektrolytu). Odpor elektrolytu se chová stejně jako odpor kovů - když k sobě elektrody přiblížíme, odpor klesá (zmenšuje se "délka vodiče"), když nalijeme více elektrolytu, odpor rovněž klesá (zvětšuje se "průřez vodiče").

Další pokus. Jako elektrolyt použijeme zředěnou kyselinu sírovou (H₂SO₄), jedna elektroda bude zinková a druhá měděná. K elektrodám připojíme voltmetr.

Voltmetr ukazuje napětí mezi elektrodami 1 V, přičemž zinková elektroda je záporná a měděná kladná. Proč?
Měděná elektroda se v kyselině rozpouští. To znamená, že kladné ionty (jádro + valenční elektrony) mědi přecházejí do elektrolytu (vodivostní elektrony v kovech tvoří elektronový plyn a zůstávají v elektrodě). Elektroda se tak nabíjí záporně a elektrolyt kladně.
Zinková elektroda se rovněž v kyselině rozpouští a nabíjí se tak záporně. Zinková elektroda se však rozpouští mnohem více, a proto je "zápornější" než měděná elektroda. Měděná elektroda má tedy vyšší potenciál než zinková a mezi oběma elektrodami je tudíž elektrické napětí. Spojíme-li je vodičem, protéká jím elektrický proud.

Zinková elektroda se rozpouští více a její potenciál je tedy menší než potenciál měděné elektrody.

Tato dvojice elektrod je tedy zdrojem elektromotorického napětí. Obecně vzniká napětí mezi dvojicí elektrod z různého materiálu, které jsou ponořeny do elektrolytu. Podobně fungují i monočlánky (tužkové baterie). V nich je jako katoda použita zinková nádobka, jako anoda uhlíková tyč. Ta je obklopena směsí burelu a uhlíku, která slouží jako depolarizátor. Průchodem proudu elektrolytem totiž probíhá elektrolýza a na elektrodách se usazují sloučeniny, které snižují napětí mezi nimi. Článek se tak vybíjí. Depolarizátor zpomaluje usazování sloučenin a prodlužuje tak životnost článku.
Jako elektrolyt je v článku salmiak (NH₄Cl), který je zahuštěn škrobem a má tak kašovitou konzistenci.

Tento článek dává napětí 1,5 V. Potřebujeme-li větší napětí, použijeme plochou baterii dávající napětí 4,5 V. Tato baterie obsahuje tři monočlánky spojené do série.

Monočlánek nelze po vybití znovu nabít. Zdroj stejnosměrného napětí, který lze nabíjet, se nazývá akumulátor. Například olověný akumulátor vytvoříme vložením dvou olověných elektrod do elektrolytu - zředěné kyseliny sírové. Na elektrodách vznikne vrstvička PbSO₄. Povrch obou elektrod je ze stejného materiálu, akumulátor je vybit. Elektrolyt je disociován na H⁺ a SO₄^2-.

Připojíme-li elektrody ke zdroji vnějšího napětí, probíhají následující chemické reakce:
Na katodě: 2H⁺ + 2e^- ---> 2H
2H + PbSO₄ ---> Pb + H₂SO₄
Na anodě: SO₄^2- ---> SO₄ + 2e^-SO₄ + PbSO₄ + 2H₂O ---> 2H₂SO₄ + PbO₂

Hustota elektrolytu se zvyšuje (na jednu molekulu H₂SO₄ na začátku reakce jsou tři molekuly H₂SO₄ na konci). Na katodě se spotřebovává vrstvička PbSO₄ a zůstává tak čisté olovo, na anodě se PbSO₄ mění na PbO₂. Jakmile se spotřebuje celá vrstvička PbSO₄ na katodě, začne se na ní vylučovat plynný vodík (už nemá s čím reagovat). to je znamení, že akumulátor je nabit. Napětí mezi elektrodami je 2,1 V. Když je nyní spojíme přes zátěž, bude obvodem protékat proud.


Vybitý olověný akumulátor. Obě elektrody jsou obaleny PbSO₄.	Nabitý olověný akumulátor. katoda je čisté olovo, anoda je pokryta PbO₂.

Průchodem proudu se akumulátor vybíjí (probíhají opačné chemické reakce než při nabíjení a elektrody se opět pokrývají vrstvičkou PbSO₄). Po vybití ho můžeme zase znovu nabít.