Základy elektrotechniky (FSI-REN)

Akademický rok 2022/2023
Garant: doc. Ing. Pavel Vorel, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚMTMB všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Získání znalostí řešení lineárních stejnosměrných i střídavých obvodů včetně lineárních dvojbranů, chápání principů a souvislostí týkajících se chování indukčnosti a kapacity, získání základní orientace v principech a veličinách elektromagnetismu.
Výstupy studia a kompetence:
Schopnost samostatného aktivního návrhu nebo analýzy lineárních stejnosměrných i střídavých elektrických obvodů.
Prerekvizity:
Znalosti matematiky na úrovni střední školy a 1. ročníku technické univerzity.
Obsah předmětu (anotace):
Ohmův zákon, rezistivita a odpor, Kirchhoffovy zákony, ideální zdroje napětí a proudu, metody řešení lineárních stejnosměrných obvodů (postupné zjednodušování, náhrada napěťového a proudového zdroje, princip superpozice, Theveninova věta, metody smyčkových proudů a uzlových napětí – s vysvětlením jejich nevhodnosti na manuální řešení (softwarově nealgoritmizované), transfigurace hvězda-trojúhelník, upevňování geometrické interpretace pojmů derivace, neurčitý integrál a určitý integrál, ideální cívka, ideální kondenzátor, reaktance, pasivní lineární střídavé obvody, výkonové přizpůsobení, lineární setrvačný a nesetrvačný dvojbran – typické praktické aplikace, reálná cívka a reálný kondenzátor, základní informace o symetrické trojfázové soustavě, definice a souvislosti základních veličin v eletromagnetismu.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Výuka je doplněna numerickým cvičením.
Způsob a kritéria hodnocení:
Požadavky na klasifikovaný zápočet:
Získání alespoň 15 bodů v součtu z obou zkušebních testů během semestru je nutné pro připuštění k závěrečnému zápočtovému testu.

Bodové hodnocení:
1. test: 10b.
2. test: 20b.
Zápočtový test: 70b.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Účast na cvičeních je povinná.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 2 hod. nepovinná                  
    Laboratorní cvičení  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 1. Ohmův zákon, odpor vodiče, rezistivita, teplotní závislost odporu, paralelní a sériová konfigurace odporů, Kirchhoffovy zákony, V-A charakteristika a vnitřní odpor ideálního zdroje napětí a proudu, reálný zdroj napětí, nezatížený a zatížený odporový dělič.
2. Metoda postupného zjednodušování, princip superpozice, Theveninova věta.
3. Metoda smyčkových proudů a uzlových napětí. Transfigurace hvězda – trojúhelník. Upevnění a příkladné vysvětlení geometrické interpretace pojmů derivace funkce jedné proměnné, neurčitý integrál a určitý integrál. Definice střední hodnoty. Definice okamžitého výkonu a činného (tj. středního) výkonu, typické příklady.
4. Ideální cívka, základní rovnice, důsledky a souvislosti. Chování RL obvodu – odvození exponenciálního přechodného děje při ss buzení. Harmonické buzení ideální cívky, objasnění pojmu reaktance.
5. Ideální kondenzátor, vysvětlení veškerých souvislostí analogicky jako u ideální cívky, včetně RC obvodů se ss buzením, harmonické buzení ideálního kondenzátoru (reaktance).
6. Pasivní střídavé lineární obvody – princip a výhody používání komplexních čísel, opakování operací s komplexními čísly, rozšíření dříve definovaných pojmů reaktance cívky a kondenzátoru zavedením komplexních čísel. Definice susceptance, impedance a admitance dvojpólu. Intuitivní vhled do Fourierovy transformace. Kreslení fázorových diagramů.
7. Výkonové přizpůsobení ve ss obvodech. Okamžitý a činný výkon ve střídavých obvodech (harmonické průběhy) na reálné zátěži, na čistě induktivní zátěži a na čistě kapacitní zátěži. Okamžitý a činný výkon na obecné impedanci. Definice jalového a zdánlivého výkonu, definice účiníku. Výkonové přizpůsobení ve střídavých obvodech.
8. Dvojbran lineární setrvačný/nesetrvačný. Definice přenosu – význam jeho modulu a fáze, modulová a fázová frekvenční charakteristika. Lineární zkreslení signálu. Nelineární zkreslení nelineárních dvojbranů.
9. Typické pasivní lineární dvojbrany – integrační RC článek – odvození modulu a fáze přenosu, odvození diferenciální rovnice v časové oblasti, řešení odezvy na skok napětí, souvislosti v časové i frekvenční oblasti, praktické použití. Analogicky všechny informace o derivačním RC článku. Odporový dělič s kondenzátorem na výstupu, kompenzace vlivu výstupní kapacity.
10. Vstupní a výstupní impedance lineárního dvojbranu. Odvození vstupní a výstupní impedance RC integračního a derivačního článku. RL integrační a derivační článek. Wienův článek, přemostěný T-článek. Reálná cívka – tangens delta a činitel jakosti. Model se sériovým nebo paralelním ztrátovým odporem.
11. Reálný kondenzátor – tytéž souvislosti jako u reálné cívky. Sériový rezonanční obvod, paralelní rezonanční obvod.
12. Základní pojmy z elektromagnetismu, jejich interpretace a vzájemný vztah. Energie magnetického pole – odvození.
13. Pokračování souvislostí energie magnetického pole (cívka a další aplikace), jednoduchý rozbor elektromagnetu. Základní pojmy a souvislosti z trojfázové soustavy.
    Laboratorní cvičení 1. Metody řešení ss obvodů.
2. Ideální cívka a ideální kondenzátor.
3. Přechodné jevy RC a RL.
4. Střídavé obvody, reaktance, susceptance, impedance, admitance.
5. Lineární dvojbrany, kmitočtové charakteristiky.
6. Elektromagnetismus.
Literatura - základní:
1. skriptum FEKT: Elektrotechnika 1, doc. Ing. Jiří Sedláček, CSc. doc. Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D.
1. Patočka M., Vorel P.: Řídicí elektronika - pasivní obvody
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- kl 4 Povinný 1 1 L
B-MET-P prezenční studium --- bez specializace -- kl 4 Povinný 1 1 L