„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Agnieszka Ambrożejczyk-Langer

Analizowanie układów elektrycznych i elektronicznych
311[15].O2.01

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1

Recenzenci:
mgr inż. Łukasz Orzech
dr inż. Janusz Makówka



Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Agnieszka Ambrożejczyk–Langer



Konsultacja:
mgr inż. Gabriela Poloczek








Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[15].O2.01
„Analizowanie układów elektrycznych i elektronicznych”, zawartego w modułowym
programie nauczania dla zawodu technik górnictwa podziemnego.

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2

SPIS TREŚCI

1.

Wprowadzenie

4

2.

Wymagania wstępne

6

3.

Cele kształcenia

7

4.

Materiał nauczania

8

4.1. Podstawy elektrotechniki

8

4.1.1. Materiał nauczania

8

4.1.2. Pytania sprawdzające

10

4.1.3. Ćwiczenia

11

4.1.4. Sprawdzian postępów

12

4.2. Obwody elektryczne prądu stałego i przemiennego

13

4.2.1. Materiał nauczania

13

4.2.2. Pytania sprawdzające

16

4.2.3. Ćwiczenia

17

4.2.4. Sprawdzian postępów

18

4.3. Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych

19

4.3.1. Materiał nauczania

19

4.3.2. Pytania sprawdzające

20

4.3.3. Ćwiczenia

21

4.3.4. Sprawdzian postępów

22

4.4. Energia i moc elektryczna

23

4.4.1. Materiał nauczania

23

4.4.2. Pytania sprawdzające

26

4.4.3. Ćwiczenia

27

4.4.4. Sprawdzian postępów

28

4.5. Maszyny i urządzenia elektryczne

29

4.5.1. Materiał nauczania

29

4.5.2. Pytania sprawdzające

36

4.5.3. Ćwiczenia

36

4.5.4. Sprawdzian postępów

37

4.6. Instalacje elektryczne

38

4.6.1. Materiał nauczania

38

4.6.2. Pytania sprawdzające

41

4.6.3. Ćwiczenia

41

4.6.4. Sprawdzian postępów

42

4.7. Podstawy elektroniki. Półprzewodnikowe elementy elektroniczne

43

4.7.1. Materiał nauczania

43

4.7.2. Pytania sprawdzające

46

4.7.3. Ćwiczenia

46

4.7.4. Sprawdzian postępów

47

4.8. Układy elektroniczne

48

4.8.1. Materiał nauczania

48

4.8.2. Pytania sprawdzające

52

4.8.3. Ćwiczenia

52

4.8.4. Sprawdzian postępów

53

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3

4.9. Elementy i układy logiczne

54

4.9.1. Materiał nauczania

54

4.9.2. Pytania sprawdzające

57

4.9.3. Ćwiczenia

57

4.9.4. Sprawdzian postępów

58

5.

Sprawdzian osiągnięć

59

6.

Literatura

64

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4

1.

WPROWADZENIE

Poradnik ten pomoże Ci w przyswajaniu wiedzy z zakresu układów elektrycznych

i elektronicznych , umiejętności ich analizy i pomiarów.

W poradniku zamieszczono:

−

wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć już ukształtowane, abyś bez problemów mógł
korzystać z poradnika,

−

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z tym
poradnikiem,

−

materiał nauczania – czyli wiadomości dotyczące obwodów elektrycznych prądu stałego
i zmiennego,

−

zestawy pytań, które pomogą Ci sprawdzić, czy opanowałeś podane treści,

−

ćwiczenia, które umożliwia Ci nabycie umiejętności praktycznych,

−

sprawdzian postępów,

−

literaturę.

W materiale nauczania zostały omówione zagadnienia dotyczące układów elektrycznych,

podstawowych technik, metod i przyrządów pomiarowych, instalacji elektrycznych, techniki
oświetleniowej i grzewczej oraz układów automatyki przemysłowej i sterowników
mikroprocesorowych. Nauczyciel pomoże Ci w procesie przyswajania wiedzy wskazując te
treści, które są kluczowe dla Twojego zawodu lub stanowią podstawę dalszego kształcenia.
Z rozdziałem „Pytania sprawdzające” możesz zapoznać się:
–

przed przystąpieniem do rozdziału „Materiał nauczania” – poznając przy tej okazji
wymagania wynikające z potrzeb zawodu, a po przyswojeniu wskazanych treści,
odpowiadając na te pytania sprawdzisz stan swojej gotowości do wykonywania ćwiczeń,

–

po zapoznaniu się z rozdziałem „Materiał nauczania”, aby sprawdzić stan swojej wiedzy,
która będzie Ci potrzebna do wykonywania ćwiczeń.
Kolejnym etapem nauki, będzie wykonywanie ćwiczeń, których celem jest uzupełnienie

i utrwalenie informacji z danego zakresu. Wykonując ćwiczenia przedstawione w poradniku
lub zaproponowane przez nauczyciela, poznasz budowę, właściwości i zjawiska zachodzące
w układach elektrycznych i elektronicznych na podstawie:
–

oznaczeń elementów,

–

dokumentacji technicznej urządzeń elektrycznych,

–

przeprowadzonych analiz schematów elektrycznych,

–

obliczeń wielkości elektrycznych,

–

przeprowadzonych pomiarów.
Po wykonaniu ćwiczeń, sprawdź poziom swoich postępów rozwiązując test Sprawdzian

postępów, zamieszczony po ćwiczeniach. W tym celu:
–

przeczytaj pytania i odpowiedz na nie,

–

wybierz odpowiedź TAK lub NIE wstawiając X w odpowiednie miejsce.
Odpowiedzi TAK wskazują twoje mocne strony, natomiast odpowiedzi NIE informują

o brakach, które musisz nadrobić. Oznacza to także powrót do treści, które nie są dostatecznie
opanowane.

Poznanie przez Ciebie wszystkich lub określonej części wiadomości o obwodach prądu

stałego będzie stanowiło dla nauczyciela podstawę przeprowadzenia sprawdzianu poziomu
przyswojonych wiadomości i ukształtowanych umiejętności. Przykład „Sprawdzianu
osiągnięć” znajduje się w rozdziale 5.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5

Schemat układu jednostek modułowych

311[15].O2

Układy sterowania i regulacji

311[15].O2.01

Analizowanie układów

elektrycznych

i elektronicznych

311[15].O2.02

Rozpoznawanie układów

pneumatycznych

i hydraulicznych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

opisywać podstawowe zjawiska fizyczne związane z elektrycznością,

−

określać podstawowe wielkości elektryczne w układzie SI,

−

współpracować w grupie,

−

korzystać z różnych źródeł informacji,

−

stosować obowiązującą procedurę postępowania w sytuacji zagrożenia,

−

stosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy oraz przepisy przeciwpożarowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

scharakteryzować podstawowe wielkości elektryczne i ich jednostki,

−

obliczyć podstawowe wielkości elektryczne,

−

rozróżnić elementy obwodów prądu stałego i przemiennego,

−

rozpoznać symbole graficzne podstawowych elementów elektrycznych i elektronicznych,

−

połączyć układy elektryczne i elektroniczne według schematów,

−

dobrać przyrządy pomiarowe do pomiarów wielkości elektrycznych,

−

zmierzyć podstawowe wielkości elektryczne w obwodach prądu stałego i przemiennego,

−

wyjaśnić zasadę działania podstawowych maszyn i urządzeń elektrycznych,

−

scharakteryzować podstawowe parametry maszyn i urządzeń elektrycznych,

−

rozróżnić instalacje elektryczne i ich osprzęt,

−

scharakteryzować zasady eksploatacji maszyn i urządzeń elektrycznych,

−

scharakteryzować diody, tranzystory, tyrystory i układy scalone,

−

scharakteryzować podstawowe elementy stosowane w automatyce,

−

określić budowę, zasadę działania i zakres stosowania podstawowych układów
w elektronice i automatyce,

−

wyjaśnić działanie układów elektronicznych na podstawie schematów,

−

zbudować układy prostownicze, stabilizujące i generacyjne,

−

posłużyć się tablicami, wykresami, normami, katalogami technicznymi podczas
diagnozowania urządzeń elektrycznych i elektronicznych,

−

zinterpretować wyniki pomiarów,

−

przewidzieć zagrożenia dla życia i zdrowia w czasie pracy z urządzeniami elektrycznymi,

−

zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej oraz
przeciwporażeniowej podczas pomiarów wielkości elektrycznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Podstawy elektrotechniki

4.1.1. Materiał nauczania

Bezpieczeństwo i higiena pracy

Szczegółowe przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy dotyczące pracy z urządzeniami

elektrycznymi zostały szczegółowo omówione w jednostce modułowej 311[15].O1.01
„Przestrzeganie przepisów Kodeksu pracy, Prawa geologicznego i górniczego”. Aby
zachować bezpieczeństwo podczas pracy przy urządzeniach elektrycznych i elektronicznych
należy zachować następujące podstawowe zasady:
1.

wyłączyć napięcie we wszystkich częściach urządzenia przy którym będą prowadzone
prace,

2.

zabezpieczyć wyłączniki przed ponownym załączeniem (np. taśmą samoprzylepną),
wyjąć bezpieczniki, wywiesić informację o zakazie załączania,

3.

sprawdzić stan napięcia (do sprawdzenia użyciu dwubiegunowego próbnika napięć),

4.

osłonić i oddzielić sąsiadujące elementy znajdujące się pod napięciem (można
zastosować maty i folie izolacyjne).

Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczeń praktycznych polegających na wykonywaniu
pomiarów w układach elektrycznych, poprawność zmontowanego układu powinien sprawdzić
nauczyciel, a następnie powinien udzielić zgody na włączenie zasilania.

W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów

bezpieczeństwa i higieny pracy oraz instrukcji przeciwpożarowych, wynikających z rodzaju
wykonywanych prac. Przepisy te poznasz podczas trwania nauki.

Podstawowe wielkości elektryczne

Podstawowe wielkości elektryczne to: prąd elektryczny, napięcie i związany z nim

potencjał elektryczny, rezystancja, pojemność kondensatora, indukcyjność cewki.

Pojęciem prądu elektrycznego określamy zjawisko uporządkowanego ruchu ładunków

elektrycznych przez przekrój poprzeczny środowiska pod działaniem pola elektrycznego.
Jednostką prądu elektrycznego (natężenia prądu elektrycznego) jest amper [A].

Prąd elektryczny może nie zmieniać się w czasie, wtedy mówimy, że jest to prąd stały.

Jeśli natomiast prąd w czasie zmienia swoją wartość, kierunek przepływu (zwany też
zwrotem) lub i wartość i kierunek przepływu, mówimy wtedy o prądzie zmiennym.

a)

b)

c)

Rys. 1. Wykresy czasowe a) prądu stałego; b), c) prądu zmiennego

W obwodach elektrycznych większości urządzeń powszechnego użytku oraz maszyn

przemysłowych płynie prąd sinusoidalnie zmienny. Rozróżniamy prąd sinusoidalnie zmienny
jednofazowy i trójfazowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

9

Prąd przemienny (sinusoidalnie zmienny jednofazowy).

Rys. 2. Wykres prądu sinusoidalnie zmiennego [5, s. 32]

Wielkości charakteryzujące prąd sinusoidalnie zmienny:

−

i =

(

)

ϕ

+

⋅

ωt

sin

I

m

– wartość chwilowa,

−

I

m

– wartość maksymalna czyli amplituda,

−

ω

– prędkość kątowa czyli tzw. pulsacja,

−

T – okres czyli czas jednego cyklu T =

ω

2π

T= [s],

−

ϕ

– kąt przesunięcia fazowego, na powyższym wykresie czasowym

ϕ

=0, zatem wartość

chwilowa określona jest zależnością

i =

ωt

sin

I

m

⋅

−

f – częstotliwość określająca ilość cykli na sekundę f =

T

1

f = [Hz].

W praktyce posługujemy się wartością skuteczną prądu sinusoidalnie zmiennego, oznaczoną
symbolem I, której wartość mierzą mierniki elektryczne.

Wartość skuteczna prądu przemiennego, to taka wartość prądu stałego, który płynąc

przez rezystor spowoduje wydzielanie się takiej samej ilości ciepła (energii) co płynący
w tym samym czasie prąd przemienny (sinusoidalnie zmienny).

I =

m

I

2

1

oraz U =

m

U

2

1

Tabela 1. Podstawowe wielkości elektryczne

Wielkość elektryczna

Symbol

Nazwa jednostki

Oznaczenie jednostki

prąd elektryczny

I

amper

A

napięcie elektryczne

U

wolt

V

potencjał elektryczny

V

wolt

V

rezystancja

R

om

Ω

pojemność

C

farad

F

indukcyjność

L

henr

H

moc elektryczna

P

wat

W

energia elektryczna

W

dżul

J

okres

T

sekunda

s

częstotliwość

F

herc

Hz

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

10

Prawo Ohma

Prawo Ohma wyraża zależność pomiędzy prądem I, napięciem U oraz rezystancją R.

W obwodach prądu stałego, kierunek prądu oznaczamy od bieguna dodatniego źródła
napięcia do bieguna ujemnego ( od „+” do „-”) i opisujemy wielką literą I. Elementy
źródłowe posiadają dwa zaciski, którym odpowiadają potencjały: wyższy (+) i niższy (-).
Kierunek napięcia na elementach źródłowych jest zgodny z kierunkiem prądu.

Napięcie odbiornikowe (spadek napięcia na odbiorniku) oznaczamy strzałką, której grot

skierowany jest w stronę potencjału wyższego, zatem kierunek napięcia na odbiorniku jest
przeciwnie skierowany do płynącego przezeń prądu.

Rys. 3. Sposób strzałkowania prądu i napięcia na rezystorze[2, s. 43]

Prawo Ohma mówi, że spadek napięcia U na elemencie odbiorczym jest proporcjonalny do
iloczynu rezystancji R tego elementu i prądu I płynącego przezeń.

U = R · I

Prawo Ohma można przekształcić do dwóch postaci:

−

R

U

I

=

, skąd można obliczyć wartość prądu płynącego przez rezystor znając jego

rezystancję i wartość spadku napięcia,

−

I

U

R

=

, skąd można obliczyć wartość rezystancji rezystora znając jego wartość spadku

napięcia i prądu płynącego przez niego.
Prawo Ohma można stosować w obwodach prądu zmiennego jednofazowego

w odniesieniu do wartości skutecznych (mierzonych miernikami), oraz wartości
maksymalnych.

Prawo Ohma dla wartości skutecznych napięć i prądów ma postać: U = R · I.
Natomiast dla wartości maksymalnych: U

m

= R · I

m

.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.

Jakie znasz podstawowe wielkości elektryczne?

2.

Jakie znasz rodzaje prądu elektrycznego?

3.

Jakie wielkości charakteryzują prąd przemienny?

4.

Jaką wartość napięcia i prądu sinusoidalnie zmiennego mierzą mierniki elektryczne?

5.

Jaką zależność opisuje prawo Ohma?

6.

Do jakich wartości prądu i napięcia można stosować prawo Ohma w obwodach prądu
przemiennego?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

11

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz wartość skuteczną prądu przemiennego płynącego przez rezystor o rezystancji

R=2,2k

Ω

, jeżeli woltomierz wskazał na nim wartość spadku napięcia = 11 V.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

zapisać prawo Ohma w podstawowej postaci,

2)

przekształcić wzór tak, aby można było na jego podstawie obliczyć wartość skuteczną
prądu przemiennego,

3)

podstawić do otrzymanego wzoru dane liczbowe i obliczyć wartość skuteczną prądu I,

4)

zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

kalkulator,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Określ, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe.

Zdanie:

prawda

fałsz

Jednostką prądu elektrycznego jest wolt [V].

Mierniki elektryczne mierzą wartość skuteczną prądu przemiennego.

Spadek napięcia na rezystorze przez który płynie prąd przemienny,
jest równy iloczynowi rezystancji i prądu.

Częstotliwość jest wielkością charakteryzującą napięcie stałe.

Kąt przesunięcia fazowego charakteryzuje prąd przemienny.

Moc elektryczną wyrażamy w watach [W].

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeczytać treści z poradnika dotyczące podstawowych wielkości elektrycznych,

2)

przeanalizować zdania decydując czy jest prawdziwe czy fałszywe,

3)

zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12

Ćwiczenie 3

Uzupełnij tabelę wpisując odpowiednio: nazwę wielkości elektrycznej, jej symbol,

jednostkę lub jej oznaczenie.

wielkość elektryczna

symbol

jednostka

oznaczenie

jednostki

moc

amper

R

wartość chwilowa

napięcia przemiennego

Hz

T

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

rozpoznać symbole wielkości elektrycznej,

2)

rozróżnić oznaczenia jednostek,

3)

wypełnić

wszystkie

wiersze

tabeli

tak,

by

każdej

wielkości

elektrycznej

przyporządkowany był symbol, jednostka i jej oznaczenie,

4)

zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

przyporządkować wielkością elektrycznym odpowiednie jednostki?

2)

określić oznaczenie jednostki wielkości elektrycznej?

3)

narysować przebieg czasowy prądu stałego?

4)

narysować przebieg czasowy prądu sinusoidalnie zmiennego?

5)

określić parametry prądu sinusoidalnie zmiennego?

6)

obliczyć wartość częstotliwości prądu sinusoidalnie zmiennego,
znając jego okres?

7)

zastrzałkować prądy i napięcie na odbiornikach w obwodzie prądu
stałego?

8)

zastosować prawo Ohma w obwodach prądu stałego do obliczenia
prądu, napięcia bądź rezystancji?

9)

obliczyć skuteczne wartości napięcia lub prądu w obwodach prądu
przemiennego na podstawie wskazań mierników i prawa Ohma?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13

4.2. Obwody elektryczne prądu stałego i przemiennego

4.2.1. Materiał nauczania

Budowa obwodu elektrycznego prądu stałego i zmiennego jednofazowego. Elementy
obwodu elektrycznego.

Obwód elektryczny prądu stałego i zmiennego jednofazowego (przemiennego) tworzą

elementy elektryczne połączone ze sobą tak, by tworzyły przynajmniej jedną drogę
zamkniętą, umożliwiającą przepływ prądu elektrycznego.
Elementy obwodu elektrycznego można sklasyfikować w czterech grupach, jako:

−

elementy źródłowe, zwane inaczej aktywnymi lub czynnymi,

−

elementy odbiorcze zwane inaczej pasywnymi lub biernymi,

−

elementy pomocnicze, takie jak przewody łączące, wyłączniki itp.,

−

przyrządy pomiarowe, takie jak woltomierze, amperomierze itp..

Elementy bierne można podzielić na trzy grupy: rezystory, kondensatory i cewki oraz
przetworniki energii elektrycznej.

W literaturze technicznej i dokumentacji wszystkich urządzeń elektrycznych

umieszczane są schematy obwodów elektrycznych, które są ich graficznym odwzorowaniem.
Schemat informuje z jakich elementów składa się obwód elektryczny i w jaki sposób są one
połączone ze sobą.

Wszystkie elementy elektryczne posiadają swoje symbole graficzne, za pomocą których

przedstawiane są na schemacie.

Rys. 4. Symbole podstawowych elementów elektrycznych: a) rezystora, b) kondensatora,

c) cewki, d) potencjometru, e) amperomierza, f) woltomierza, g) watomierza, h) omomierza,

i) źródła napięcia stałego, j) źródła prądu stałego, k) bezpiecznika, l) łącznika [2, s. 39]

Obwody elektryczne dzielą się na obwody nierozgałęzione, czyli takie, w których płynie

tylko jeden prąd i rozgałęzione, w których płynie kilka prądów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

14

a)

b)

Rys. 5. Schemat obwodu elektrycznego a) nierozgałęzionego , b) rozgałęzionego

W strukturze obwodu elektrycznego można wyróżnić: gałęzie, węzły i oczka. Gałąź

obwodu elektrycznego może zawierać dowolną ilość elementów, połączonych ze sobą
szeregowo (może mieć też tylko jeden element). Charakterystyczne dla gałęzi jest to, że przez
wszystkie jej elementy przepływa ten sam prąd. Końcówkę gałęzi, zwaną zaciskiem, do której
przyłączone są inne gałęzie nazywamy węzłem. Oczko obwodu elektrycznego stanowi zbiór
połączonych ze sobą gałęzi, które tworzą drogę zamkniętą dla przepływu prądu.
Charakterystyczne dla oczka jest to, że usunięcie dowolnej gałęzi uniemożliwi przepływ
prądu (nie będzie istniała ani jedna droga zamknięta dla przepływu prądu).

Możemy zatem zauważyć, że:

−

obwód elektryczny rozgałęziony to taki, w którym jest kilka połączonych ze sobą gałęzi,

−

obwód nierozgałęziony posiada jedną gałąź,

−

obwód nierozgałęziony stanowi jedno oczko.

Połączenie źródeł napięcia i odbiorników

W obwodach elektrycznych prądu stałego i (przemiennego) zmiennego jednofazowego

źródła napięcia i odbiorniki można łączyć na trzy sposoby: szeregowo, równolegle i w sposób
mieszany.

W połączeniu szeregowym przez wszystkie elementy obwodu przepływa przez ten sam

prąd. Obwód taki stanowi jedno oczko.

a)

b)

c)

Rys. 6. Schematy obwodów z elementami połączonymi:

a) szeregowo, b) równolegle, c) w sposób mieszany

Dowolną liczbę rezystorów połączonych szeregowo można zastąpić rezystancją zastępczą
równą sumie rezystancji poszczególnych rezystorów np. w obwodzie z rysunku 6 a)
rezystancja zastępcza R określona jest zależnością:

3

2

1

R

R

R

R

+

+

=

Rezystory połączone ze sobą równolegle występują w obwodach rozgałęzionych.

Właściwością połączenia równoległego jest to, że wszystkie elementy są włączone między tę
samą parę węzłów, zatem na zaciskach elementów występuje to samo napięcie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

15

W ogólnym przypadku odwrotność rezystancji zastępczej dowolnej ilości rezystorów

połączonych równolegle równa się sumie odwrotności rezystancji poszczególnych
rezystorów. Dla obwodu z rysunku 6 b) odwrotność rezystancji zastępczej określona jest
zależnością:

3

2

1

R

1

R

1

R

1

R

1

+

+

=

W rozgałęzionych obwodach elektrycznych występują również połączenia mieszane,

w których część elementów połączonych równolegle, a część szeregowo.

W obwodach prądu przemiennego podstawowymi odbiornikami prócz rezystorów są

również cewki (o indukcyjności L

0

gromadzące energię elektryczna w polu magnetycznym

i kondensatory (o pojemności C), gromadzące energię elektryczna w polu elektrycznym.
W obwodach prądu przemiennego rozróżniamy również połączenia elementów szeregowe,
równoległe i mieszane.

a)

b)

Rys. 7. Schematy obwodów prądu przemiennego z elementami R,L,C połączonymi:

a) szeregowo, b) równolegle

Prawa Kirhhoffa dla obwodów prądu stałego i przemiennego.

I prawo Kirchhoffa mówi, że dla każdego węzła obwodu elektrycznego suma

algebraiczna prądów jest równa zeru.

∑

=

α

α

0

I

Symbol

α

odpowiada indeksom prądów w danym węźle. Suma algebraiczna oznacza, że do

równania podstawia się wartości prądów ze znakami, zależnymi od ich kierunku. Prądy
dopływające do węzła posiadają znak „+”, natomiast odpływające znak „-”.

Rys. 8. Przykładowy węzeł obwodu elektrycznego

Na rysunku pokazano przykładowy węzeł obwodu elektrycznego z zaznaczonymi kierunkami
prądów: prądy I

1

oraz I

3

skierowane są do węzła , zatem mają znak „+”, natomiast prądy I

2

, I

4

oraz I

5

i I

6

odpływają z węzła, opatrzymy je zatem znakiem „-”. Dla przedstawionego węzła

można napisać równanie w myśl I prawa Kirchhoffa:

0

I

I

I

I

I

I

6

5

4

2

3

1

=

−

−

−

−

+

Równanie to możemy przekształcić do postaci:

6

5

4

2

3

1

I

I

I

I

I

I

+

+

+

=

+

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

16

Po jednej stronie równania znajduje się suma prądów dopływających do węzła, natomiast po
drugiej suma prądów odpływających z węzła.
Zatem I prawo Kirchhoffa wynikające z powyższej postaci można przedstawić w następujący
sposób: dla każdego węzła obwodu elektrycznego suma prądów dopływających do węzła jest
równa sumie prądów odpływających od węzła.
Prawo I Kirchhoffa należy stosować w obwodach prądu zmiennego jednofazowego
(przemiennego) w odniesieniu do wartości chwilowych prądów.

∑

=

α

α

0

i

II prawo Kirchhoffa mówi, że w każdym oczku obwodu elektrycznego prądu stałego

suma algebraiczna napięć źródłowych i odbiornikowych jest równa zeru.

β

α

β

β

α

∑

∑

+

I

R

U



U



oznacza napięcia źródłowe, natomiast wyrażenie R I oznacza napięcia odbiornikowe

występujące na rezystancjach danego oczka. Symbole

α

,

β

odpowiadają indeksom źródeł

napięcia, rezystorów i prądów. Suma algebraiczna oznacza, że zarówno napięcia źródłowe jak
i odbiornikowe sumowane są ze znakiem czyli z uwzględnieniem kierunku.

W obwodach prądu zmiennego jednofazowego II prawo Kirchhoffa należy stosować

w odniesieniu do wartości chwilowych napięć źródłowych i odbiornikowych.

∑

α

α

u



∑

⋅

β

β

β

i

R

Powyższa postać II prawa Kirchhoffa mówi, że w każdym oczku obwodu elektrycznego
prądu zmiennego jednofazowego suma wartości chwilowych napięć źródłowych jest równa
sumie wartości chwilowych napięć odbiornikowych.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.

Jak klasyfikujemy obwody elektryczne prądu stałego i zmiennego jednofazowego?

2.

W jaki sposób odwzorowuje się graficznie obwód elektryczny?

3.

Jak dzielimy elementy elektryczne?

4.

W jaki sposób mogą być połączone elementy w obwodach elektrycznych?

5.

Czym charakteryzuje się połączenie równoległe elementów elektrycznych, a czy
połączenie szeregowe?

6.

Jak brzmi I prawo Kirchhoffa?

7.

Dla jakich wartości prądu przemiennego można stosować I prawo Kirchhoffa?

8.

Jak brzmi II prawo Kirchhoffa?

9.

Dla jakich wartości prądu i napięcia przemiennego można stosować prawa Kirchhoffa?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Jaki obwód elektryczny przedstawia schemat? Określ, jakie elementy wchodzą w skład

tego obwodu?

Rysunek do ćwiczenia 1– Obwód elektryczny

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeanalizować schemat obwodu elektrycznego,

2)

sklasyfikować obwód przedstawiony na schemacie,

3)

rozpoznać symbole graficzne elementów elektrycznych na schemacie,

4)

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Określ w jaki sposób połączone są elementy na schemacie obwodu elektrycznego.

Rysunek do ćwiczenia 2. Schemat rozgałęzionego obwodu elektrycznego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeanalizować schemat obwodu elektrycznego,

2)

określić typ połączenia jakie przedstawia schemat,

3)

określić sposób połączenia poszczególnych elementów,

4)

zaprezentować wyniki swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

18

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

rozróżnić na schemacie symbole elementów elektrycznych?

2)

narysować

schemat

przykładowego

nierozgałęzionego

i rozgałęzionego obwodu elektrycznego?

3)

wskazać węzły, gałęzie i oczka na schemacie rozgałęzionego
obwodu elektrycznego?

4)

rozróżnić elementy połączone szeregowo na schemacie obwodu
prądu stałego i jednofazowego zmiennego?

5)

rozróżnić elementy połączone równolegle na schemacie obwodu
prądu stałego i jednofazowego zmiennego?

6)

zapisać równanie I prawa Kirchhoffa dla węzła obwodu
elektrycznego?

7)

wyjaśnić II prawo Kirchhoffa?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

19

4.3. Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych

4.3.1. Materiał nauczania

Metody pomiarowe w obwodach elektrycznych

Metoda pomiarowa określa sposób wykonania pomiaru. Pomiary wielkości elektrycznych

można wykonywać bezpośrednio lub pośrednio.

W pomiarach bezpośrednich wartość wielkości mierzonej odczytuje się bezpośrednio

z przyrządu pomiarowego. Przykładem pomiaru bezpośredniego jest pomiar napięcia za
pomocą woltomierza lub pomiar prądu za pomocą amperomierza.

W pomiarach pośrednich wykonuje się pomiary innych wielkości elektrycznych niż

poszukiwane. Następnie wyniki pomiarów podstawia się do zależności matematycznych
wynikających z praw obwodów elektrycznych i na podstawie obliczeń uzyskuje się wartość
wielkości poszukiwanej. Pośrednie pomiary to między innymi metody techniczne pomiaru
rezystancji i mocy prądu stałego oraz metody porównawcze napięć i prądów, stosowane
również do pomiaru rezystancji.

Elektroniczne przyrządy pomiarowe

Wyróżniamy dwa rodzaje przyrządów pomiarowych: analogowe i cyfrowe.

W przyrządach analogowych elementem wskazującym jest wskazówka pokazująca na
podziałce wyskalowanej w jednostkach wielkości mierzonej. Mierniki cyfrowe pozwalają na
bezpośredni odczyt wartości wielkości mierzonej ze wskaźnika cyfrowego lub z rejestratorów
(np. drukarki). Pozwala to uniknąć błędu popełnianego przy odczycie jak w przyrządzie
analogowym. Główne zalety mierników cyfrowych to duża dokładność i szybkość pomiarów,
automatyczny wybór polaryzacji, możliwość automatycznego wyboru zakresu, możliwość
„zapamiętywania” wyników pomiarów oraz współpracy z komputerowymi systemami
pomiarowo-kontrolnymi i sterującymi.

Powszechnie używane obecnie są mierniki uniwersalne tzw. multimetry, które mogą

pracować jako amperomierze, woltomierze czy omomierze.

Rys. 9. Miernik uniwersalny [18]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

20

Posiadają one kilka gniazd odpowiednio opisanych oraz pokrętło lub panel przycisków,
umożliwiających wybór trybu pracy przyrządu czyli rodzaj mierzonej wielkości elektrycznej
i zakres pomiarowy (maksymalną wartość wielkości mierzonej). Niektóre nowoczesne
mierniki uniwersalne mają również dodatkowe funkcje umożliwiające pomiar pojemności,
parametrów tranzystora bipolarnego, stosunku dwóch napięć oraz temperatury.

Pomiary napięcia i prądu w obwodach prądu stałego i przemiennego.

Podstawowe wielkości elektryczne mierzone w układach elektrycznych to napięcie

elektryczne i natężenie prądu.

Pomiaru napięcia dokonuje się za pomocą woltomierza, który włączany jest równolegle

do tego fragmentu lub elementu obwodu, w którym chcemy zmierzyć napięcie. Woltomierz
posiada bardzo dużą rezystancję wewnętrzną (jej wartość zależy od zakresu pomiarowego).
Rezystancja wewnętrzna idealnego woltomierza dąży do nieskończoności.

a)

b)

Rys. 10. a) Schemat układu do pomiar napięcia na rezystorze R

2

, b) Schemat układu do pomiaru prądu

Pomiaru natężenia dokonuje się za pomocą amperomierza, który włączany jest

szeregowo do obwodu (lub jego jednej gałęzi), w którym chcemy zmierzyć prąd.
Amperomierz posiada bardzo małą rezystancję wewnętrzną (jej wartość zależy od zakresu
pomiarowego). Rezystancja wewnętrzna idealnego amperomierza wynosi 0

Ω

.

W obwodach prądu stałego, jednofazowego zmiennego i trójfazowego pomiarów

napięcia i natężenia dokonuje się w ten sam sposób.
Uwaga! Równoległe włączenie amperomierza w układzie spowoduje zwarcie – stan
niebezpieczny ze względu na zasady BHP, oraz mogący prowadzić do uszkodzenia układu.
Pomiar rezystancji

Rys. 11. Schemat układu do pomiaru) rezystancji omomierzem

Pomiaru rezystancji elementów elektrycznych wykonuje się omomierzem w sposób
przedstawiony na powyższym rysunku Należy pamiętać, że element, którego rezystancję
mierzymy tą metodą nie może być włączony w obwód elektryczny, ani zasilony.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

21

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.

Jakie znasz metody pomiarowe stosowane w obwodach elektrycznych?

2.

Jaki miernik służy do pomiaru napięcia?

3.

Jaki miernik służy do pomiaru prądu?

4.

Jaki miernik służy do pomiaru rezystancji?

5.

Czym charakteryzuje się miernik uniwersalny?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj pomiary rezystancji za pomocą cyfrowego miernika uniwersalnego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeanalizować treść zadania,

2)

narysować schemat pomiarowy,

3)

zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,

4)

zapisać oznaczenia wybranych przyrządów,

5)

wybrać tryb pracy miernika,

6)

wykonać pomiary rezystancji wybranych elementów,

7)

zapisać wyniki pomiarów,

8)

porównać zmierzone wartości z wartościami podanymi przez producenta rezystorów,

9)

sformułować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

rezystory: R = 1 k

Ω

/1W; R = 1,8 k

Ω

/1W; R = 2,2 k

Ω

/1W; R = 820

Ω

/2W;

R = 1,5k

Ω

/1W,

−

miernik uniwersalny cyfrowy.

Ćwiczenie 2

Wykonaj pomiar spadku napięcia na rezystorze R

3

.

Schemat układu pomiarowego do ćwiczenia 2

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeanalizować treść zadania,

2)

zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,

3)

zapisać oznaczenia wybranych przyrządów,

4)

wybrać tryby pracy mierników,

5)

połączyć układ pomiarowy,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

22

6)

wykonać pomiar spadku napięcia,

7)

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zasilacz stabilizowany napięcia stałego +15 V,

–

rezystory: R = 1k

Ω

/1W; R = 1,8 k

Ω

/1W; R = 2,2 k

Ω

/1W,

–

uniwersalny miernik cyfrowy,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 3

Wykonaj pomiar prądu w układzie nierozgałęzionym prądu przemiennego złożonym

z rezystora i źródła napięcia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

narysować schemat obwodu nierozgałęzionego prądu przemiennego złożonego
z rezystora i źródła napięcia,

2)

narysować schemat układu do pomiaru prądu w tym obwodzie,

3)

zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,

4)

zapisać oznaczenia wybranego przyrządu,

5)

wybrać tryb pracy miernika,

6)

połączyć układ zgodnie ze schematem pomiarowym,

7)

wykonać pomiar prądu,

8)

zapisać wyniki pomiarów,

9)

obliczyć na podstawie prawa Ohma wartość prądu jaki powinien płynąć w obwodzie,

10)

porównać zmierzoną wartość z wartością obliczona na podstawie prawa Ohma,

11)

sformułować wnioski,

12)

zaprezentować wyniki pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

generator napięcia sinusoidalnego o wartości skutecznej +5V i częstotliwości 500 Hz,

−

rezystor 1 k

Ω

,

−

uniwersalny miernik cyfrowy,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

sklasyfikować metody pomiarowe?

2)

scharakteryzować mierniki analogowe?

3)

połączyć układ pomiarowy według schematu?

4)

dobrać miernik do pomiaru określonej wielkości elektrycznej?

5)

ustawić tryb pracy miernika uniwersalnego do pomiaru określonej
wielkości elektrycznej?

6)

wykonać pomiar spadku napięcia na rezystorze?

7)

wykonać pomiar prądu?

8)

wykonać pomiar rezystancji?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

23

4.4. Energia i moc elektryczna

4.4.1. Materiał nauczania

Energia elektryczna

Energia elektryczna to energia jaką prąd elektryczny przekazuje odbiornikowi, który

zmienia ją na inny rodzaj energii np. żarówka jako odbiornik zamienia energię elektryczna na
świetlną. Odbiornik może również wykonywać określona prace pracę np. silnik elektryczny
porusza ramię robota przemysłowego. Energię elektryczną pobieraną przez urządzenie
oblicza się jako iloczyn natężenia prądu płynącego przez odbiornik, napięcia na odbiorniku
i czasu przepływu prądu przez odbiornik.

t

P

t

I

U

W

⋅

=

⋅

⋅

=

Jednostką energii elektrycznej jest dżul [J].

[ ] [ ] [ ]

s

W

J

⋅

=

Zużycie energii elektrycznej w gospodarstwach domowych i zakładach przemysłowych

mierzone jest licznikiem energii elektrycznej, a wyrażane w kilowatogodzinach [kWh]. Im
większa jest moc urządzenia, tym więcej zużywa energii elektrycznej w jednostce czasu.
Informacja o mocy znamionowej, czyli takiej którą urządzenie pobiera podczas normalnej
pracy, jest podawana przez producenta w danych techniczne zamieszczonych w instrukcji
obsługi, na tabliczce znamionowej lub etykiecie energetycznej urządzeń.

Rodzaje źródeł energii elektrycznej

Każde źródło energii elektrycznej jest w istocie przetwornikiem innej postaci energii

w energię elektryczną. Ze względu na sposób tej przemiany źródła możemy podzielić na:
elektromechaniczne, chemiczne oraz cieplne.

Źródła elektromechaniczne to przetworniki energii mechanicznej w elektryczną –

przykładem jest prądnica zwana też generatorem. Wykorzystuje ona zjawisko indukowania
się siły elektromotorycznej w przewodzie poruszającym się w polu magnetycznym. Prądnica
składa się z dwóch zasadniczych części: walca z nawiniętym uzwojeniem zwanego
twornikiem (w nim indukuje się napięcie elektryczne) i magneśnicy na biegunach której,
nawinięte są uzwojenia magnesujące (wzbudzające). Zadaniem magneśnicy jest wytworzenie
pola magnetycznego. Jedna z części prądnicy jest nieruchoma – zwana jest stojanem (lub
statorem), natomiast druga zwana wirnikiem (lub rotorem) wiruje. Prądnice posiadają moc od
setek megawatów (w elektrowniach) do dziesiątek watów (do zasilania spawarek, ładowania
akumulatorów).

Rys. 12. Prądnica a) zasada działania [2, s. 79], b)uproszczony model [2, s. 80]

Źródła chemiczne wytwarzają energię elektryczna dzięki reakcjom chemicznym.

Rozróżniamy kilka typów tych źródeł: ogniwa galwaniczne, akumulatory i ogniwa paliwowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

24

Ogniwo galwaniczne składa się z dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie. Wartość

napięcia wytwarzanego przez ogniwo zależy od rodzaju elektrod i elektrolitu. Parametrem
charakteryzujący ogniwo jest pojemność elektryczna równa iloczynowi prądu znamionowego
oraz gwarantowanego czasu użytkowania ogniwa (przy tym prądzie). Jednostką pojemności
elektrycznej jest amperogodzina [Ah].

Ogniwa dzielimy na pierwotne służące do użytku jednorazowego, oraz wtórne , które

mogą być rozładowywane i ponownie ładowane.
Ogniwa pierwotne łączy się w baterie w celu uzyskania np. większego napięcia. Akumulator
jest ogniwem wtórnym (odwracalnym), ponieważ może być wielokrotnie wyładowywany
i ponownie naładowywany. Służy on do magazynowania energii elektrycznej. Parametrami
akumulatorów są sprawność pojemnościowa i sprawność energetyczna.

Źródła cieplne zamieniają energię cieplną na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie

zjawiska termoelektrycznego. Występuje ono na styku dwóch różnych metali lub
półprzewodników, gdy temperatura styku różni się od temperatury pozostałych części
zespolonych materiałów.

Rys. 13. Ogniwo termoelektryczne zwane termoelementem

[2, s. 84]

Źródła świetlne, czyli generatory fotoelektryczne (zwane też ogniwami

fotoelektrycznymi) wykorzystują zjawisko fotoelektryczne, w wyniku którego energia
promieniowania świetlnego, zostaje zamieniona na energię elektryczną. Pierwszymi
ogniwami fotoelektrycznymi były ogniwa selenowe stosowane w fotograficznych
światłomierzach. Ogniwa krzemowe dostarczają napięcia rzędu 0,6 V. Cechuje je prosta
konstrukcja i bardzo długi czas użytkowania. Urządzenia te znalazły szerokie zastosowanie
w technologii kosmicznej.

Wytwarzanie energii elektrycznej na skalę przemysłową

Energię elektryczną na skalę przemysłową produkują elektrownie. Przetwarzają one

zazwyczaj energię chemiczną paliw konwencjonalnych: węgla kamiennego i brunatnego,
ropy naftowej i gazu ziemnego oraz paliw rozszczepialnych na energię elektryczną. Jest ona
następnie przesyłana do odbiorców za pomocą sieci elektroenergetycznych. W skład sieci
wchodzą linie napowietrzne i kablowe oraz stacje transformatorowo-rozdzielcze. Stacje
transformatorowe przekształcają energię elektryczną na inną wartość napięcia, natomiast
rozdzielnie rozdzielają ją (obecnie rozdzielnie spełniają obie te funkcje). Sieci energetyczne
służące do przesyłu i rozdziału energii elektrycznej dzieli się na:

−

sieci przemysłowe, służące do przesyłania energii elektrycznej na większą odległość, są
to sieci o napięciach najczęściej: 220 kV, 400 kV, 750 kV;

−

sieci rozdzielcze, rozdzielają i doprowadzają energię elektryczną do odbiorców
przemysłowych, indywidualnych oraz poszczególnych odbiorników, pracują na
napięciach do 110 kV; sieci rozdzielcze mieszczące się wewnątrz pomieszczeń nazywają
się instalacjami.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

25

Moc w układach elektrycznych.

Moc prądu stałego
Na skutek przepływu prądu w obwodzie elektrycznym elementy źródłowe oddają lub

pobierają energię elektryczną, natomiast elementy odbiorcze, zawsze pobierają energię
elektryczną.
Moc P pobierana przez elementy odbiorcze jest równa iloczynowi prądu I przepływającego
przez element i spadku napięcia U na nim:

I

U

P

⋅

=

P = [W]

jednostką mocy jest wat [W].

Jeżeli prąd I lub napięcie U obliczamy z prawa Ohma, zależność opisująca moc przyjmie

jedną z dwóch postaci

R

U

P

2

=

lub

R

I

P

2

⋅

=

.

Moc oddawana przez elementy źródłowe określana jest z zależności

I

U

P

⋅

=

z

,

gdzie

z

U , jest napięciem źródłowym, natomiast I oznacza prąd płynący w gałęzi

z rozpatrywanym źródłem.

W obwodzie elektrycznym występuje bilans mocy, w myśl którego suma algebraiczna

mocy oddanych (lub pobranych) przez źródła energii elektrycznej jest równa sumie mocy
pobranych przez rezystory stanowiące odbiorniki.

Moc prądu sinusoidalnego

W obwodzie prądu sinusoidalnego wydziela się moc czynna P, moc bierna Q i pozorna S.

Moc czynna P, określona jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu oraz cosφ kąta
przesunięcia fazowego między przebiegami prądu i napięcia.

P = U ·I ·cosφ

Jednostką mocy czynnej jest wat [W], a cosφ zwany jest współczynnikiem mocy i jest
bezwymiarowy.

Moc bierna Q określona jest jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu oraz sinφ

kąta przesunięcia fazowego między przebiegami prądu i napięcia.

Q = U ·I · sinφ

Jednostką mocy biernej jest war [var]

Moc pozorna (S) stanowi iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu.

S = U ·I

Jednostką mocy pozornej jest woltoamper [VA]
Określona jest również zależnością:

S =

2

2

Q

P

+

Pomiar mocy

Pomiaru mocy w układach prądu stałego oraz mocy czynnej w obwodach prądu

zmiennego jednofazowego można dokonać metodą bezpośrednią za pomocą watomierza lub
w sposób pośredni metodą techniczną poprzez pomiar spadku napięcia i prądu czyli
z wykorzystaniem amperomierza i woltomierza.

Watomierz posiada cztery końcówki: dwie oznaczone symbolem V do pomiaru napięcia,

które włącza się równolegle w obwód elektryczny, oraz dwie oznaczone symbolem A do
pomiaru pradu, które włącza się szeregowo.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

26

a)

b)

Rys. 14. Układy do pomiaru mocy metodą: a) bezpośrednią, b) metodą techniczną

W metodzie technicznej wartość mocy oblicza się na podstawie zależności:

−

dla prądu stałego:

I

U

P

⋅

=

,

−

dla prądu przemiennego:

ϕ

cos

I

U

P

⋅

⋅

=

, dla odbiorników rezystancyjnych

1

cos

=

ϕ

gdzie: U to wartość napięcia zmierzonego woltomierzem,
I to wartość prądu zmierzonego amperomierzem.

Rys. 15. Układy do pomiaru mocy czynnej metodą techniczną i bezpośrednią

w obwodzie prądu zmiennego jednofazowego.

Gwiazdki w oznaczeniu watomierza oznaczają początki uzwojeń: napięciowego i prądowego.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.

Jaka jest jednostka energii elektrycznej?

2.

Jakie rodzaje znasz źródeł energii elektrycznej?

3.

Czym różni się akumulator od ogniwa galwanicznego?

4.

W jaki sposób przesyła się energię elektryczną?

5.

Od czego zależy moc wydzielona na rezystorze w obwodzie prądu stałego?

6.

O czym mówi bilans mocy?

7.

Jakie rodzaje mocy występują w obwodzie prądu sinusoidalnego?

8.

Jakie znasz metody pomiaru mocy?

9.

Jaką moc można zmierzyć watomierzem?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

27

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz moc wydzieloną na rezystorze w obwodzie prądu stałego, jeśli prąd płynący przez

niego ma wartość I = 20 mA, a spadek napięcia wynosi U = 5V.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

zapisać zależność określającą moc wydzielona na rezystorze,

2)

podstawić do zapisanej zależności dane liczbowe i wykonać obliczenia,

3)

zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

kalkulator,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Wykonaj bezpośredni pomiar mocy wydzielonej na rezystorze w obwodzie prądu stałego.

Rysunek do ćwiczenia 2. Schemat układu do pomiaru mocy prądu stałego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy,

2)

zapisać oznaczenia wybranych elementów i miernika,

3)

połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem,

4)

dokonać pomiaru mocy wydzielonej na rezystorze,

5)

obliczyć wartość prądu jaka powinna płynąć w obwodzie w oparciu o prawo Ohma:

R

U

I

=

,

6)

obliczyć moc jaka powinna wydzielić się na rezystorze na podstawie zależności:

R

I

P

2

⋅

=

,

7)

porównać zmierzoną wartość mocy z obliczoną teoretycznie,

8)

sformułować wnioski,

9)

zaprezentować wyniki pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

28

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zasilacz stabilizowany +5 V,

–

rezystor 100

Ω

,

–

watomierz,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

rozróżnić rodzaj źródła energii elektrycznej?

2)

opisać budowę i zasadę określonego typu źródła energii
elektrycznej?

3)

określić typ i parametry źródła energii elektrycznej na podstawie
tabliczki znamionowej?

4)

określić na podstawie tabliczki znamionowej lub instrukcji
obsługi jaka moc pobiera dane urządzenie elektryczne lub
elektroniczne ?

5)

scharakteryzować sposób wytwarzania energii na skalę
przemysłową?

6)

obliczyć moc jaka wydzieliła się na odbiorniku w obwodzie
prądu stałego?

7)

Scharakteryzować moc w obwodach prądu przemiennego?

8)

obliczyć moc czynną jaka wydzieliła się na odbiorniku
w obwodzie prądu przemiennego?

9)

zmierzyć moc wydzieloną w obwodzie prądu stałego metodą
pośrednią?

10)

zmierzyć moc czynną wydzieloną w obwodzie prądu
przemiennego metodą pośrednią?

11)

dobrać miernik do pomiaru mocy w obwodzie prądu stałego lub
mocy czynnej w obwodzie prądu przemiennego?

12)

zmierzyć moc metodą bezpośrednią?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

29

4.5. Maszyny i urządzenia elektryczne

4.5.1. Materiał nauczania

Maszyny elektryczne są urządzeniami elektromechanicznymi służącymi do przetwarzania

energii za pośrednictwem pola magnetycznego i przy udziale ruchu.
Maszyny elektryczne dzielimy ze względu na rodzaj energii przetwarzanej na:

−

silniki – przetwarzające energię elektryczną na mechaniczną,

−

prądnice – przetwarzające energię mechaniczną na elektryczną,

−

przetwornice – przetwarzające energię elektryczną na energię elektryczną ale o innych
parametrach np. prądzie, napięciu i częstotliwości,

−

transformatory – przetwarzające (transformujące) prądy i napięcia przemienne na prądy
i napięcia o niższej lub wyższej wartości.
W maszynach elektrycznych przemiany energetyczne zachodzą przy udziale ruchu

najczęściej obrotowego (mówimy wówczas o maszynie wirującej), czasem posuwistego
(mówimy wówczas o maszynie liniowej), jedynie w transformatorach zachodzą one bez
udziału ruchu.

Maszyny elektryczne dzielimy ze względu na sposób działania na: liniowe i wirujące

prądu stałego i zmiennego.

Maszyna elektryczna wirująca składa się z: ruchomego wirnika (rotora) i nieruchomego

stojana (statora).

Stojan posiada:

−

jarzmo lub rdzeń – stanowiące element statyczny obwodu magnetycznego maszyny,
kadłub – będący częścią konstrukcyjną,

−

tarcze łożyskowe i łożyska do osadzania wirnika, szczotkotrzymacze i szczotki.
Wirnik składa się z:

−

rdzenia, stanowiącego element ruchomy obwodu magnetycznego maszyny, na którym
znajdują się uzwojenia:

−

wału, na którym umieszczony jest rdzeń;

−

pierścieni ślizgowych lub komutatora, służących do połączenia uzwojenia wirnika
z obwodem zewnętrznym.
Istotna grupę maszyn elektrycznych stanowią maszyny indukcyjne stosowane jako

silniki, hamulce elektryczne, prądnice. Charakteryzujące się prostą budową, dużą pewnością
ruchową, łatwością obsługi oraz niską ceną.

Rys. 16. Przekrój silnika indukcyjnego [19]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

30

Silniki indukcyjne ze względu na sposób zasilania dzielimy na: jednofazowe, dwufazowe

i trójfazowe.

Silniki indukcyjne jednofazowe zasilane są z sieci jednofazowej niskiego napięcia.

Stosowane są do napędzania mechanizmów i urządzeń najczęściej powszechnego użytku,
w których nie zachodzi konieczność regulacji prędkości wirowania.
Maszyny jednofazowe posiadają uzwojenie główne zwane roboczym i rozruchowe, które są
wzajemnie przesunięte w przestrzeni o kąt

Π

/

2

.

Silnik indukcyjny trójfazowy posiada w stojanie trzy uzwojenia fazowe wykonane

z impregnowanego, izolowanego drutu nawojowego umieszczonego w izolowanych
żłobkach. Ze względu na budowę wirnika silniki indukcyjne trójfazowe dzielimy na klatkowe
i pierścieniowe. Jeśli uzwojenia wirnika są wykonane podobnie jak w stojanie z drutu
nawojowego to silniki takie nazywamy pierścieniowymi.
Uzwojenia wirnika mogą być też wykonane z nieżelaznych prętów wypełniających cały
żłóbek połączonych po obu stronach pierścieniami tworząc klatkę. Taka konstrukcja zwana
jest silnikiem klatkowym lub zwartym.
Maszyny prądu stałego zbudowane są ze:

−

stojana zwanego magneśnicą, który wytwarza strumień magnetyczny,

−

wirnika zwanego twornikiem, który wytwarza siłę elektromotoryczną (w prądnicach) lub
moment elektromagnetyczny (w silnikach).
Maszyny prądu stałego wykorzystują zjawisko indukowania siły elektromotorycznej

w przewodach umieszczonych w żłobkach wirnika i wraz z nim wirujących w polu
magnetycznym.

Uzwojenie twornika mieszczące się w wirniku, tworzą połączone przewody, w których

powstaje na skutek ruchu siła elektromotoryczna.

Ze względu na sposób połączenia pomiędzy uzwojeniem twornika i uzwojeniem

wzbudzenia, rozróżniamy maszyny:

−

obcowzbudne, w których nie ma elektrycznego połączenia pomiędzy uzwojeniem stojana
i wzbudzenia,

−

samowzbudne: bocznikową, szeregową i szeregowo-bocznikową.

Prądnica prądu stałego może być:

−

obcowzbudna, w której obwód wzbudzenia jest zasilany z obcego źródła,

−

samowzbudna bocznikowa i szeregowo-bocznikowa .
Silnik prądu stałego składa się z następujących podstawowych elementów:

−

nieruchomego stojana wytwarzającego pole magnetyczne,

−

ruchomego wirnika z uzwojeniami twornika,

−

szczotek – doprowadzających prąd do uzwojenia twornika,

−

komutatora czyli pierścienia ze stykami – służącego do zmiany kierunku prądu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

31

Rys. 17. Przekrój silnika prądu stałego [19]

Ze względu na sposób wytwarzania pola magnetycznego wyróżniamy silniki prądu

stałego: obcowzbudne i samowzbudne, które dzielimy na szeregowe, równoległe i szeregowo-
równoległe.

Obcowzbudny silnik prądu stałego stosowany jest głównie w napędach wymagających

regulacji prędkości w szerokim zakresie obrotów. Zazwyczaj w jego stojanie do wytworzenia
pola magnetycznego wykorzystuje się elektromagnesy.

Wirnik silnika prądu stałego wykonany jest w kształcie walca. Na jego powierzchni

znajdują się żłobki, w których uzwojenia twornika, zamykane są za pomocą specjalnych
klinów, zapobiegających wypadnięciu uzwojenia podczas wirowania.

Stojan, wykonany jest w kształcie wydrążonego walca, zwykle jako żeliwny lub staliwny

odlew, ze względu na stałe pole magnetyczne. Po wewnętrznej stronie stojana umieszczone są
bieguny główne oraz pomocnicze, na których nawinięte są uzwojenia elektromagnesów
(uzwojenia wzbudzenia).

Uzwojenia główne wytwarzają pole magnetyczne, natomiast uzwojenie pomocnicze,

eliminują niekorzystne zjawiska, których efektem jest nadmierne iskrzenie przy ocieraniu
szczotek o komutator. Uzwojenie to jest połączone równolegle z uzwojeniem wirnika.

Szczotki, zazwyczaj krzemowe ślizgają się po komutatorze umożliwiając połączenie

obracającego się uzwojenia wirnika z zasilającym je źródłem prądu stałego.
Komutator wykonany jest w postaci wielu miedzianych wycinków, wzajemnie
odizolowanych. Do każdego z wycinków przyłączony jest jeden koniec uzwojenia wirnika.
Obecnie najczęściej produkuje się komutatorowe silniki prądu stałego.

Silniki szeregowe stosowane są głównie w trakcji elektrycznej (napędy lokomotyw,

tramwajów, trolejbusów) i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki
samochodów), w napędach dźwigów, wentylatorów itp. Silniki takie mogą być (jako jedyne
silniki prądu stałego) zasilane również prądem przemiennym – zwane są wówczas silnikami
uniwersalnymi. Znalazły one zastosowanie w urządzeniach wymagających dużych prędkości
obrotowych napędu, np. w odkurzaczach, elektronarzędziach, suszarkach, sokowirówkach,
mikserach itp. Silniki równoległe stosowane są głównie w napędach obrabiarek, pomp,
dmuchaw, kompresorów. Silniki szeregowo-równoległe stosowany są zazwyczaj jako silniki
dużych mocy, tam gdzie występuje ciężki rozruch: w napędach walcarek, pras, dźwigów oraz
w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

32

Urządzenia elektryczne
Podstawowe urządzenia elektryczne to urządzenia napędowe i grzewcze.

Elektryczne urządzenie napędowe to silnik elektryczny wraz z układami służącymi do

jego zasilania, regulacji, sygnalizacji, zabezpieczeń i pomiarów.
Podstawowymi parametrami znamionowymi określającymi typ silnika elektrycznego są:

−

znamionowy moment obrotowy,

−

moc znamionowa (lub prąd znamionowy),

−

napięcie znamionowe,

−

znamionowa prędkość obrotowa.
Sterowanie silnika elektrycznego czyli takie oddziaływanie, które pozwala uzyskać

zamierzone działania całego układu napędowego, polega na doprowadzeniu do silnika
sygnałów sterujących pochodzących z układu sterującego.

Układ sterowania silnika może być otwarty lub zamknięty. W układzie otwartym na

sygnały sterujące nie wpływają warunki pracy silnika. W układzie zamkniętym informacje
o aktualnych warunkach pracy silnika decydują o zmianie sygnałów sterujących.

Układ napędowy z zamkniętym układem sterowania zwanym układem regulacji jest

wyposażony w elementy pomiarowe, przekaźniki, nastawniki, styczniki i wyłączniki,
rozruszniki, rezystory regulacyjne itp. elementy niezbędne do sterowania silników
elektrycznych.

Większość urządzeń przemysłowych może być napędzana indukcyjnymi silnikami

trójfazowymi.

Elektryczne urządzenia grzewcze przekształcają energię elektryczną na energię cieplną.

Ze względu na sposób wytwarzania ciepła dzielimy je na: rezystancyjne czyli oporowe,
elektrodowe, łukowe, indukcyjne, ultradźwiękowe pojemnościowe i promiennikowe.

Piece rezystancyjne wykorzystują ciepło powstające podczas przepływu prądu przez

elementy grzejne wykonane z materiałów oporowych stałych, najczęściej z metali lub
specjalnych stopów metali o dużej rezystywności i dużej trwałości. Elementy grzejne są
zasilane najczęściej z sieci energetycznej za pośrednictwem sterowników tyrystorowych.
Stosuje się układy zasilania jednofazowe i trójfazowe.

Piece elektrodowe posiadają elektrody zanurzone w roztopionych mieszaninach soli.

Kąpiel solna rozgrzewana przepływającym przez elektrody prądem przekazuje swoje ciepło
zanurzonemu w niej wsadowi.

Piece łukowe wykorzystują zjawisko łuku elektrycznego powstającego przy przerywaniu

obwodów prądowych. W piecach łukowych pośrednich łuk elektryczny pali się pomiędzy
dwiema elektrodami węglowymi lub grafitowymi, natomiast w piecach bezpośrednich
pomiędzy elektrodą i topionym metalem. Piece te stosowane są do wytopu metali ze względu
na nierównomierny rozkład temperatury.

Piece indukcyjne wykorzystują zjawisko powstawania prądów wirowych pod wpływem

zmiennego pola magnetycznego. Stosuje się przy: lutowaniu, wyżarzaniu, topieniu metali,
hartowaniu stali.

Charakterystyczną cechą nagrzewania indukcyjnego jest to, że ciepło jest wytworzone

wewnątrz nagrzewanego przedmiotu, głównie w jego części znajdującej się w zasięgu
wytworzonego pola magnetycznego

Piece pojemnościowe działają na zasadzie wytwarzania ciepła wewnątrz dielektryka pod

wpływem szybkozmiennego pola elektrycznego wielkiej częstotliwości.
Nagrzewanie pojemnościowe stosuje się do: sterylizacji żywności i środków opatrunkowych,
w lecznictwie, do suszenia zboża, do gotowania i pieczenia żywności, do zgrzewania folii
plastikowych, do obróbki gumy, a także do klejenia i suszenia drewna.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

33

Promienniki wytwarzają promieniowanie temperaturowe, którego energię pochłania
nagrzewane ciało.

Nagrzewanie ultradźwiękowe wykorzystuje zamieniane w ciepło drgania mechaniczne

powstające w wyniku absorpcji energii ultradźwiękowej.

Eksploatacja maszyn i urządzeń elektrycznych
Maszyny elektryczne, mogą być użytkowane tylko wówczas, gdy są w tzw. stanie

zdatności, czyli gdy jest sprawne.
Eksploatacja maszyny obejmuje:

−

użytkowanie czyli wykonywanie przez urządzenia wyznaczonych mu zadań;

−

obsługiwanie czyli jest to wykonywanie na nie użytkowanym urządzeniu czynności
mających na celu utrzymanie go w stanie zdatności.

W celu zapewnienia stanu zdatności maszyny należy przeprowadzać: okresowe pomiary jego
parametrów, okresową kontrolę zabezpieczeń, niezbędne naprawy oraz stałą obserwację.

Użytkowanie maszyn elektrycznych w zakładach przemysłowych, musi być zgodne ze

szczegółowymi instrukcjami o eksploatacji.

Maszyna może być eksploatowana przez określony czas eksploatacji liczony od chwili

rozpoczęcia eksploatacji do chwili wycofania maszyny z eksploatacji, czyli do chwili jej
likwidacji (złomowania). Na czas eksploatacji maszyny składa się czas użytkowania czyli
pracy, ale także czas transportowania, przechowywania, obsługiwania, oczekiwania na
naprawy oraz naprawy.

Jeżeli maszyna osiągnie stan graniczny czyli taki stan techniczny, przy którym dalsza jej

eksploatacja nie jest możliwa lub wskazana, maszynę należy wycofać z eksploatacji czyli
złomować.

Niezawodność maszyny elektrycznej zależy od: jej konstrukcji, technologii wykonania,

oraz warunków eksploatowania, czyli warunków użytkowania i obsługiwania.

Brak czynności konserwacyjnych oraz nieodpowiednie warunki pracy mogą skrócić

trwałość maszyn i urządzeń elektrycznych.

Maszyny prądu przemiennego powinny być użytkowane przy napięciu sinusoidalnym

o częstotliwości wynoszącej w Europie 50 Hz.

Maszyny i urządzenia elektryczne wyposażone są w trwale przymocowane tabliczki

znamionowe. Zawierają one krótki opis urządzenia podający informacje takie jak np.: nazwę
wytwórcy, typ maszyny wg oznaczenia wytwórcy, numer fabryczny maszyny, rok produkcji,
masa urządzenia, moc znamionową, napięcie i prąd zasilania, prędkość wirowania, stopień
ochrony obudowy oraz inne dane konkretne dla określonego typu maszyn.

Urządzenia elektryczne mogą podlegać eksploatacji jeśli:

−

odpowiadają wymaganiom określonym w normach i przepisach dotyczących urządzeń
grzejnych,

−

są zainstalowane zgodnie z dokumentacją techniczną,

−

odpowiadają warunkom ochrony przeciwporażeniowej i przeciwpożarowej,

−

posiadają pozytywne wyniki badań technicznych,

−

ich parametry techniczne są zgodne z dokumentacją.

Urządzenia elektryczne powinny być opatrzone informacjami takimi jak: symbole

elementów urządzenia, symbole zacisków ochronnych, dane na tabliczkach znamionowych,
napisy określające funkcje elementów sterowania i sygnalizacji, oznaczenia stosowanych
zabezpieczeń i wartości ich nastawiania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

34

Układy automatyki
Powszechnie stosowane jest dziś sterowanie automatyczne, urządzeń i maszyn

elektrycznych. W układach takich czynności sterownicze wykonuje za człowieka specjalne
urządzenie sterujące. Człowiek formułuje i wprowadza do urządzenia sterującego zadania do
wykonania oraz kontroluje i ewentualnie wprowadza korektę nastaw w urządzeniu
sterującym. Automatyka zajmuje się zagadnieniami sterowania automatycznego.

Układy automatycznego sterowania.
Sterowanie to proces celowego oddziaływania sygnałów sterujących na przyrządy,

urządzenia lub maszyny. Sterowanie odbywa się w układzie otwartym. Sygnały sterujące
działają na obiekt bez bieżących pomiarów i korekcji procesu.

Układ sterowania składa się z obiektu sterowania i urządzenia sterującego. Obiekt

sterowania to część układu, na którą oddziałują sygnały sterownicze.

Rys. 18. Schemat blokowy układu sterowania

Urządzenie sterujące to część układu, która przez człon wykonawczy oddziałuje na obiekt
sterowania.

W układach automatycznego sterowania elektrycznego stosuje się często styczniki

i przekaźniki. Styczniki są uruchamiane elektromagnetycznie, posiadają cewkę, która po
wzbudzeniu prądem przyciąga zworkę i przełącza zestyki. Przełączana przez styczniki moc
wynosi od 1kW do 500kW, zatem używa się je przede wszystkim do załączania urządzeń
dużej mocy np.: silników hamulców, sprzęgieł i elektrycznych urządzeń grzewczych.

Przekaźnik w układzie elektronicznym pełni rolę zdalnie uruchamianego łącznika.

Podobnie jak stycznik przekaźnik posiada cewkę, która wzbudzana prądem elektrycznym
wytwarza pole magnetyczne powodujące zamykanie zestyków. Moc przełączania przekaźnika
zależy od jego wielkości i wynosi od kilku mW do 1 kW , dlatego służą one do załączania
urządzeń mniejszej mocy.

W otwartym układzie sterowania urządzenie sterujące nie otrzymuje zwrotnej informacji

o aktualnej wartości sygnału sterowanego.

Układy automatycznej regulacji
Sterowanie w układzie zamkniętym to regulacja. Wówczas nazywamy: układ sterowania

– układem regulacji, obiekt sterowania – obiektem regulacji, urządzenie sterujące –
urządzeniem regulującym (regulatorem), sygnał sterowany – sygnałem regulowanym. Sygnał
oddziaływania regulatora na obiekt jest dalej nazywany sygnałem sterującym. W układzie
regulacji mogą również pojawić się zakłócenia czyli wszelkie inne oddziaływania, na obiekt
utrudniające realizację procesu regulacji.

Charakterystyczne dla wszystkich układów regulacji jest tzw. ujemne sprzężenie zwrotne

polegające na przekazaniu informacji z wyjścia układu na jego wejście, zatem urządzenie
sterujące – regulator, otrzymuje informację o aktualnej wartości sygnału sterowanego, która
następnie wpływa na przebieg sterowania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

35

Podstawowym pojęciem z zakresu układów regulacji jest odchyłka (uchyb) regulacji,

oznaczająca różnicę między pożądaną (zadaną) a rzeczywistą aktualną wartością sygnału
regulowanego. Zadaniem regulatora jest takie oddziaływanie na obiekt regulacji, aby
odchyłka regulacji była jak najmniejsza. Regulator podzielono na układ porównujący, który
wytwarza sygnał odchyłki, oraz układ formujący, który przekształca sygnał odchyłki na
sygnał sterujący. Sprzężenie zwrotne (czyli przekazanie sygnału z wyjścia na wejście układu)
jest ujemne, co zaznaczono za pomocą znaku minus na wejściu układu porównującego.

Rys. 19. Schemat układu regulacji automatycznej jednej zmiennej [12, s. 16]

Elementy i układy automatyki
Elementy w automatyce spełniają w układzie lub urządzeniu proste funkcje, takie jak:

wzmocnienie sygnału, porównanie sygnałów, zmiana postaci sygnału. Elementami są zatem:
czujniki pomiarowe, zawory, silniki, wzmacniacze itp. Funkcje bardziej złożone spełniają
w automatyce urządzenia np. urządzenia pomiarowe, składające się z czujników
i przetworników pomiarowych, urządzenia wykonawcze, składające się z elementów
nastawczych i napędowych, urządzenia kształtujące sygnał sterujący oraz urządzenia,
nadzorujące przebieg procesu technologicznego.

Elementy i urządzenia możemy podzielić ze względu na sposób zasilania na:

pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne i elektroniczne.

Natomiast ze względu na funkcje spełniane w układach automatyki na:

−

pomiarowe (czujniki, przetworniki, zespoły pomiarowe),

−

wykonawcze (np. zawory, zasuwy, silniki, siłowniki, elektromagnesy, pompy, regulatory
bezpośredniego działania),

−

i tzw. części centralnej (regulatory, stacyjki manipulacyjne, rejestratory, bloki
matematyczne, urządzenia cyfrowe, np. sterowniki mikroprocesorowe).
Ze względu na sposób działania elementy i urządzenia automatyki dzielimy na

analogowe i cyfrowe.

W skład układu automatyki wchodzą:

−

urządzenie pomiarowe informuje układ regulacji o aktualnej wartości wielkości
regulowanej; zawiera element pomiarowy – mierzący bezpośrednio wielkość regulowaną
oraz przetwornik pomiarowy – przekształcający zmierzoną wielkość na postać,
odpowiednią dla regulatora;

−

urządzenie wykonawcze, w odpowiedzi na sygnał wyjściowy z regulatora, zmienia
wartość wielkości nastawiającej, tak aby realizowany był zamierzony przebieg procesu;

−

regulator porównuje wartość zadaną z rzeczywistą regulowaną, następnie wytwarza
sygnał sterujący, który działa na obiekt, tak aby różnicę pomiędzy tymi wartościami
sprowadzić do zera, regulator często posiada zadajnik.
Urządzenie wykonawcze składa się z :

−

elementu nastawczego np. zaworu, przepustnicy, dozownika, pompy o zmiennym
wydatku, dławika, dzielnika napięcia, transformatora;

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

36

−

elementu napędowego np. siłownika, silnika, pompy, zespołu napędowego, itp.,
dostarczającego energii mechanicznej, niezbędnej do przestawienia elementu
nastawczego według sygnału podanego z regulatora;

−

wzmacniacz mocy.

Rys. 20. Schemat blokowy zamkniętego układu sterowania – układu regulacji [7, s. 12]

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.

Jak dzielimy maszyny elektryczne ze względu na rodzaj przetwarzanej energii?

2.

W jaki sposób zachodzą w maszynach elektrycznych przemiany energetyczne?

3.

Z jakich elementów jest zbudowana wirująca maszyna elektryczna?

4.

Jakie zastosowanie mają maszyny indukcyjne?

5.

Jak zbudowany jest silnik indukcyjny?

6.

Z jakich elementów zbudowana maszyna elektryczna prądu stałego?

7.

Jak dzielimy silniki prądu stałego ze względu na sposób wytwarzania pola
magnetycznego?

8.

Jakie elementy wyróżniamy w budowie silnika prądu stałego?

9.

Jak zbudowane jest elektryczne urządzenie napędowe?

10.

Jakie znasz typy elektrycznych urządzeń grzejnych?

11.

Jakie elementy stosowane są w układach automatycznego sterowania elektrycznego?

12.

Czym różnią się zamknięty i otwarty układ sterowania?

13.

Na czym polega sprzężenie zwrotne?

14.

Jakie elementy stosowane są w układach automatyki?

15.

O czym informuje tabliczka znamionowa?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ na podstawie tabliczki znamionowej typ, zastosowanie i podstawowe parametry

otrzymanego urządzenia elektrycznego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

dokonać oględzin urządzenia elektrycznego,

2)

zapoznać się z informacjami zawartymi na tabliczce znamionowej,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

37

3)

określić typ urządzenia,

4)

scharakteryzować zastosowanie i zasadę działania otrzymanego urządzenia,

5)

określić podstawowe parametry,

6)

zaprezentować wyniki swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

urządzenie elektryczne np. grzejne,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Określ na podstawie dokumentacji technicznej warunki eksploatacji silnika indukcyjnego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

zapoznać się z dokumentacja techniczną silnika indukcyjnego,

2)

określić jego podstawowe parametry,

3)

scharakteryzować zastosowanie silnika,

4)

określić warunki eksploatacji: sposób zasilania, podłączenia, przeznaczenie itp.,

5)

zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna silnika indukcyjnego,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

wskazać różnice w budowie i zasadzie działania podstawowych
maszyn elektrycznych?

2)

rozróżnić elementy budowy silników elektrycznych różnych typów?

3)

scharakteryzować zasadę działania silnika prądu stałego ?

4)

scharakteryzować zasadę działania silnika indukcyjnego?

5)

określić na podstawie dokumentacji technicznej i/lub tabliczki
znamionowej

podstawowe

parametry

maszyn

i

urządzeń

elektrycznych?

6)

scharakteryzować zasadę działania różnych typów elektrycznych
urządzeń grzewczych?

7)

scharakteryzować budowę elektrycznych urządzeń napędowych?

8)

określić na podstawie dokumentacji technicznej zasady eksploatacji
maszyn i urządzeń elektrycznych?

9)

scharakteryzować podstawowe elementy stosowane w automatyce?

10)

scharakteryzować działanie stycznika i przekaźnika w układach
automatycznego sterowania?

11)

scharakteryzować budowę i zasadę działania układów automatyki?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

38

4.6. Instalacje elektryczne

4.6.1. Materiał nauczania

Instalacja elektryczna służy do doprowadzenia energii elektrycznej o określonych

parametrach do miejsc jej wykorzystania.
Instalacje elektryczne dzielimy na instalacje przemysłowe i mieszkaniowe, do których należą
również instalacje w biurach, budynkach użyteczności publicznej itp.
Ze względu na charakter odbiorników instalacje możemy podzielić na: oświetleniowe i siłowe
– zasilające trójfazowe grzejniki i silnik.
Ze względu na czas użytkowania instalacje możemy podzielić na: stałe oraz prowizoryczne -
o uproszczonych rozwiązaniach (dopuszczonych przez przepisy), montowane doraźnie.
Podstawowymi elementami składowymi instalacji są:

−

przewody,

−

osprzęt instalacyjny,

−

rozdzielnice,

−

urządzenia automatyki.

W instalacjach, zwłaszcza mieszkaniowych stosuje się ponadto elementy spełniające
określone zadania:

−

przyłącze, będące linią elektroenergetyczną łączącą złącze z siecią energetyki
zawodowej,

−

złącze czyli urządzenie elektryczne służące do połączenia przewodów przyłącza
bezpośrednio z licznikiem rozliczeniowym lub za pośrednictwem wewnętrznej linii
zasilającej, złącze stanowi podstawowe zabezpieczenie zasilanego obiektu,

−

wewnętrzna linia zasilająca (wlz) czyli linia elektroenergetyczna o stałym przekroju
łącząca złącze z tablicami rozdzielczymi,

−

instalacja odbiorcza – doprowadza energię do poszczególnych odbiorników, znajduje się
za licznikiem rozliczeniowym.

Układ instalacji elektrycznej zależy od: przeznaczenia, potrzeb i nałożonych wymagań,
natomiast charakteryzuje się:

−

rodzajem i wartością stosowanego napięcia – stosuje się napięcia prądu przemiennego
o wartościach znormalizowanych,

−

sposobem uziemienia,

−

sposobem ochrony przeciw porażeniowej.

Oznaczenia układów sieciowych

Instalacje elektryczne dzieli się na różnego rodzaju układy sieciowe zależnie od sposobu

uziemienia.
Pierwsza litera oznaczenia układu określa związek między siecią a ziemią:

−

T – bezpośrednie połączenie jednego punktu wspólnego (najczęściej przewodu
neutralnego) z ziemią,

−

I – wszystkie części, które mogą znaleźć się pod napięciem są odizolowane od ziemi,
albo jeden punkt jest połączony z ziemią przez impedancję lub bezpiecznik iskiernikowy.

Druga litera określa związek między dostępnymi częściami przewodzącymi a ziemią:

−

N – metaliczne połączenie podlegających ochronie dostępnych części przewodzących
z uziemionym punktem układu sieciowego (neutralnym),

−

T – metaliczne połączenie z ziemią (uziemienie) podlegających ochronie dostępnych
części przewodzących, niezależnie od uziemienia punktu neutralnego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

39

Kolejne litery określają związek między przewodem neutralnym N, a przewodem ochronnym
PE:

−

S – wspólny przewód neutralno-ochronny PEN,

−

C – osobne przewody: neutralny N oraz ochronny PE,

−

C-S – od strony zasilania, w pierwszej części instalacji wspólny przewód PEN, w drugiej
osobne przewody: neutralny N oraz ochronny PE.

Rys. 21. Układy sieciowe: a) TN-C, b) TN-S, c) TN-C-S, d) TT, e) IT [8, s. 17]

Osprzęt instalacyjny

Urządzenia stanowiące wyposażenie instalacji nazywa się osprzętem instalacyjnym.

W jego skład wchodzą:

−

rury instalacyjne służące do prowadzenia przewodów,

−

elementy konstrukcyjne instalacji prefabrykowanych,

−

łączniki instalacyjne służące do włączania prądów roboczych i zwarciowych oraz
stwarzania przerwy w obwodzie elektrycznym,

−

gniazda czyli łączniki wtykowe,

−

odgałęźniki czyli puszki instalacyjne służące do łączenia przewodów instalacyjnych oraz
wykonywania odgałęzień,

−

bezpieczniki, zabezpieczające instalacje przed przeciążeniami,

−

oprawy oświetleniowe.

Przemysłowe instalacje elektryczne

W przemyśle stosuje się instalacje elektryczne w rurach z PCW i stalowych oraz instalacje

z elementów prefabrykowanych, które możemy podzielić na:

−

instalacje przewodami szynowymi – szyny wykonane są z aluminium, duraluminium lub
miedzi i umieszczone w specjalnych osłonach,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

40

−

instalacje wiązkowe – przewody w izolacji i powłoce poliwinitowej formuje się
w skupione wiązki i układa na uchwytach, drabinkach i linkach nośnych; stosowane są
w tunelach, piwnicach, kanałach, na przestrzeniach otwartych, prowizorycznych
obiektach , halach produkcyjnych,

−

instalacje korytkowe – przewody prowadzone są w blaszanych korytkach, instalacje takie
są niezawodne i estetyczne,

−

instalacje w kanałach podłogowych – stosuje się przewody w izolacji i powłoce
poliwinitowej; ten typ instalacji montowany jest w pomieszczeniach produkcyjnych
przemysłu lekkiego i elektrotechnicznego oraz laboratoriach, pawilonach i sklepach,

−

instalacje kablowe na drabinkach – ich konstrukcja wykorzystuje prefabrykowane
drabinki podobne do korytek instalacyjnych; ten typ instalacji często stosowany jest
w zakładach przemysłowych.

Instalacje przemysłowe powinny cechować się: możliwością przenoszenia dużych mocy
i zasilania dużej liczby różnorodnych odbiorników oraz przejrzystością i estetyką układu,
a także maksymalnym stopniem prefabrykacji umożliwiającym prostą rozbudowę
i modernizację.

W zakładach przemysłowych, ze względu na konieczność zasilania wielu maszyn

i urządzeń dużej mocy, stosuje się najczęściej instalacje z elementów prefabrykowanych
w postaci drabinek kablowych oraz instalacji korytkowych i wiązkowych.

Zabezpieczenia odbiorników i urządzeń elektrycznych
W celu zapewnienia bezpiecznej pracy urządzeń i odbiorników stosuje się szereg

środków ochrony przeciwporażeniowej.

Uziemienie zwane inaczej uziomem to przewód łączący określony punkt urządzenia

z ziemią w celu zapewnienia bezpiecznej i prawidłowej pracy urządzeń elektrycznych.

Uziemienie ochronne polega na uziemieniu jednego lub wielu punktów sieci, instalacji

lub urządzenia elektrycznego dla bezpieczeństwa. Uziemione zostają te części przewodzące
urządzeń elektrycznych, które nie są normalnie pod napięciem. W chwili pojawienia się na
nich napięcia, zadziała zabezpieczenie elektryczne.

Uziemienie funkcjonalne lub inaczej uziemienie robocze - to takie uziemienie sieci,

instalacji lub urządzenia elektrycznego, które nie służy bezpieczeństwu lecz jego
prawidłowemu działaniu.

Zerowanie stosowane w instalacjach elektrycznych, polega na podłączeniu części

przewodzących dostępnych np. metalowej obudowy urządzenia z przewodem ochronnym PE
lub przewodem ochronno-neutralnym PEN. W przypadku uszkodzenia izolacji możliwe jest
samoczynne odłączenie zasilania, poprzez szybkie zadziałanie zabezpieczenia elektrycznego .
Zerowanie może być stosowane w instalacjach elektrycznych o napięciu do 500V, w układzie
sieciowym TN, gdzie punkt neutralny zasilającego transformatora jest bezpośrednio
uziemiony, natomiast chronione części przewodzące odbiorników są połączone z punktem
neutralnym za pomocą:

−

przewodu ochronnego PE w układzie sieciowym TN-S;

−

przewodu ochronno-neutralnego PEN w układzie sieciowym TN-C;

−

w części układu przewodem ochronnym PE, a w drugiej części przewodem neutralnym
PN, w układzie sieciowym TN-C-S;
Przewód neutralny (N) to przewód elektryczny połączony z punktem neutralnym sieci

elektroenergetycznej, mogący służyć do przesyłania energii elektrycznej.

Przewód ochronny (PE) służy ochronie przed porażeniem elektrycznym. Jeśli łączy

główny zacisk uziemiający z uziomem to jest to przewód uziemiający, jeśli natomiast
zapewnia wyrównanie potencjałów elektrycznych różnych części mogących znaleźć się pod
napięciem to jest to przewód wyrównawczy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

41

Przewód ochronno-neutralny (PEN) łączy funkcje przewodu neutralnego N i przewodu
ochronnego PE.

W celu sprawdzenia stanu instalacji przeprowadza się m.in. pomiary: rezystancji izolacji

przewodów oraz rezystancji uziemień ochronnych.

4.6.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.

Do czego służy instalacja elektryczna?

2.

Jakie typy instalacji rozróżniamy ze względu na charakter odbiorników?

3.

Jakie elementy i urządzenia wchodzą w skład instalacji elektrycznej?

4.

Od czego zależy rodzaj układu sieciowego instalacji?

5.

Jakie elementy zaliczamy do osprzętu instalacyjnego?

6.

Czym charakteryzuje się budowa instalacji elektrycznych stosowanych w przemyśle?

7.

Jakie właściwości powinny cechować instalacje przemysłowe?

8.

Jakie stosuje się zabezpieczenia urządzeń elektrycznych?

9.

Jakie znasz rodzaje uziemień?

10.

Co to jest zerowanie?

11.

Do czego służy przewód ochronno-neutralny?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ, na podstawie dokumentacji technicznej, jaki typ instalacji elektrycznej

zamontowano w hali produkcyjnej. Określ układ sieciowy tej instalacji.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeanalizować treść zadania,

2)

zapoznać się z otrzymaną dokumentacją techniczną,

3)

określić typ instalacji,

4)

określić układ sieciowy instalacji,

5)

zaprezentować wyniki.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna instalacji elektrycznej hali produkcyjnej,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Rozróżnij elementy osprzętu instalacyjnego i określ ich przeznaczenie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

dokonać oględzin otrzymanych elementów osprzętu instalacyjnego,

2)

rozróżnić poszczególne elementy,

3)

określić ich przeznaczenie,

4)

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

42

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

elementy osprzętu instalacyjnego: łącznik instalacyjny, gniazdo natynkowe, puszka,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

określić typ instalacji na podstawie rodzaju przyłączonych odbiorników?

2)

rozróżnić podstawowe elementy instalacji elektrycznej?

3)

określić na podstawie oznaczenia układu sieciowego zastosowany
sposób uziemienia?

4)

rozróżnić elementy osprzętu instalacyjnego?

5)

scharakteryzować przemysłowe instalacje elektryczne ze względu na ich
konstrukcje?

6)

rozróżnić zabezpieczenia urządzeń elektrycznych?

7)

scharakteryzować: uziemienie ochronne, uziom, przewód uziemiający i
zerowanie?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

43

4.7. Podstawy

elektroniki.

Półprzewodnikowe

elementy

elektroniczne

4.7.1. Materiał nauczania

Podstawy elektroniki
Nowoczesne maszyny i urządzenia stosowane we wszystkich gałęziach przemysłu,

posiadają blok elektroniki sterującej w skład którego wchodzą typowe układy elektroniczne
takie jak: wzmacniacze, prostowniki, generatory i inne, które są zbudowane
z półprzewodnikowych elementów i układów elektronicznych.

Rozróżniamy półprzewodniki samoistne oraz domieszkowane. Powszechnie stosowane

w elektronice są półprzewodniki domieszkowane.

Ze względu na rodzaj domieszki rozróżniamy półprzewodniki typy N i typu P. Jeżeli do

pierwiastka IV grupy zostanie wprowadzony pierwiastek grupy V (tzw. domieszka donorowa)
powstanie półprzewodnik typu N, gdzie nośnikami większościowymi ładunku elektrycznego
są elektrony. Natomiast wprowadzając do pierwiastka IV grupy pierwiastek grupy III (tzw.
domieszkę

akceptorową),

otrzymamy

półprzewodnik

typu

P,

gdzie

nośnikami

większościowymi ładunku elektrycznego są jak gdyby puste miejsca (powstałe na skutek
domieszkowania), zwane dziurami, które mają ładunek elektryczny dodatni. Półprzewodniki
znalazły zastosowanie w elementach elektronicznych i scalonych układach elektronicznych,
takich jak diody, tranzystory, wzmacniacze operacyjne i w wielu innych.

Prąd elektryczny w półprzewodnikach jest uporządkowanym ruchem elektronów lub

dziur pod wpływem oddziaływania zewnętrznego pola elektrycznego. Przepływ prądu
w półprzewodniku zależy od jego polaryzacji.

Większość elementów półprzewodnikowych zawiera różnego rodzaju złącza, czyli

atomowo ścisłe związki kryształów ciała stałego. Najczęściej są to z łącza półprzewodnik–
–półprzewodnik (PN), lub metal–półprzewodnik.
Złącze półprzewodnik–półprzewodnik (PN) stanowi warstwę przejściową pomiędzy
obszarem półprzewodnika typu P a obszarem półprzewodnika typu N.

Polaryzacja złącza PN, czyli doprowadzenia do niego z zewnątrz napięcia elektrycznego

powoduje zakłócenia jego równowagi elektrycznej. Rozróżniamy dwa sposoby polaryzacji
złącza PN:

−

polaryzację w kierunku zaporowym, zwaną też wsteczną, kiedy przez złącze nie płynie prąd,

−

polaryzację w kierunku przewodzenia, kiedy w złączu występuje zjawisko przepływu prądu.

Podstawowe półprzewodnikowe elementy elektroniczne

Diody półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnika posiada dwie elektrody anodę i katodę. Ze względu na zasadę

działania i przeznaczenia rozróżnia się wiele rodzajów diod: prostownicze, stabilizacyjne,
impulsowe, pojemnościowe, uniwersalne, fotodiody, diody LED i inne.
Dioda prostownicza

a)

b)

c)

Rys. 22. a) Symbol diody prostowniczej b) polaryzacja diody prostowniczej w kierunku przewodzenia,

c) polaryzacja diody prostowniczej w kierunku zaporowym [3, s.54]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

44

W układach elektronicznych dioda prostownicza wykorzystywana jest przede wszystkim

do przekształcania prądu zmiennego w jednokierunkowy prąd pulsujący. Przewodzi ona prąd
w jednym kierunku. Jeżeli do anody podłączony jest potencjał dodatni, a do katody potencjał
ujemny to jest to polaryzacja w kierunku przewodzenia. Jeśli na diodzie pojawi się spadek
napięcia zwany napięciem progowym, (którego wartość zależy od materiału z jakiego została
wykonana dioda i tak dla diod krzemowych jest to wartość około 0,7 V, dla germanowych
około 0,3 V) to przez diodę popłynie prąd (od anody do katody). Spadek napięcia na diodzie
niewiele zmienia się pomimo dużych zmian wartości przepływającego przez nią prądu,
w katalogach podawane są typowe wartości tego spadku napięcia. Przy polaryzacji odwrotnej
zwanej polaryzacją w kierunku zaporowym (wówczas do anody podłączony jest potencjał
ujemny, a do katody dodatni), przez diodę płynie bardzo mały prąd w kierunku zaporowym
(od katody do anody), w wielu przypadkach analizy działania układów elektronicznych
możemy go pominąć. W kierunku zaporowym do diody można przyłożyć tylko określone
napięcia zwane maksymalnym napięciem wstecznym, podane w danych katalogowych.
Przekroczenie tej wartości spowoduje krótkotrwały przepływ prądu przez diodę w kierunku
zaporowym, powodujący zniszczenie jej struktury wewnętrznej.
Diody prostownicze stosuje się najczęściej w układach prostowniczych urządzeń zasilających.

Dioda stabilizacyjna (dioda Zenera)
Wykorzystuje się jej właściwości przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Przy

polaryzacji w kierunku przewodzenia, dioda Zenera działa jak dioda prostownicza. Natomiast
przy polaryzacji w kierunku zaporowym, póki przyłożone napięcie nie osiągnie wartości
zwanej napięciem Zenera, przez diodę stabilizacyjną płynie bardzo mały prąd w kierunku
zaporowym (od katody do anody). Jeśli spadek napięcia w kierunku zaporowym osiągnie
wspomnianą wartość napięcia Zenera następuje zjawisko przebicia Zenera lub tunelowe,
polegające na szybkim wzroście wartości prądu przy prawie niezmienionej wartości spadku
napięcia. Diody stabilizacyjne stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach
amplitudy, w układach źródeł napięć odniesienia itp.

a)

b)

Rys. 23. Symbole graficzne diod a) stabilizacyjna

[3, s. 59], b) LED [3, s. 450]

Dioda LED
Diody LED emitują światło pod wpływem przepływu przez nie prądu w kierunku

przewodzenia. Diodę LED zasila się napięciem w kierunku przewodzenia, łącząc szeregowo
z nią rezystor ograniczający prąd.

Diody LED wykorzystuje się zasadniczo jako samodzielne elementy sygnalizujące,

buduje się z nich również wyświetlacze.

Tranzystory
Obecnie produkowane jest wiele typów tranzystorów przeznaczonych do różnych

zastosowań. Mogą one występować jako elementy dyskretne (elementy odrębne) , najczęściej
jednak stanowią podstawowy element układów scalonych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

45

Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny przeznaczony jest do pracy jako wzmacniacz sterowany prądowo.

Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika stanowiących kombinację dwóch złącz PN.
Ze wzglądu na budowę rozróżniamy tranzystory bipolarne typu PNP i NPN. Tranzystor
bipolarny można przedstawić jako dwie diody przewodzące prąd w kierunku bazy (PNP),
albo w kierunku od bazy (NPN).

a)

b)

Rys. 24. Symbol tranzystora a) PNP, b) NPN [3, s. 62]

Struktura półprzewodnikowa tranzystora umieszczona jest w hermetycznie zamkniętej

obudowie chroniącej przed uszkodzeniami mechanicznymi, ale również spełniającej inne
funkcje np. w tranzystorach średniej i dużej mocy stosuje się specjalne elementy
odprowadzające ciepło zwane radiatorami.

Tranzystor bipolarny posiada trzy elektrody E – emiter, B – bazę, C – kolektor. Baza jest

elektrodą sterująca. Zazwyczaj tranzystor pracuje jako wzmacniacz prądowy. Mały prąd
wpływający do bazy umożliwia przepływ większego prądu pomiędzy kolektorem a emiterem.
Jest to tak zwany stan aktywny pracy tranzystora.

Tranzystor bipolarny może również pracować w stanie nieprzewodzenia zwanego też

odcięciem. Wówczas prąd płynący między kolektorem a emiterem jest bardzo mały,
a napięcie pomiędzy kolektorem a emiterem jest maksymalne.

Stan nasycenia tranzystora bipolarnego charakteryzuje się przepływem dużego prądu

kolektora, przy minimalnym napięciu pomiędzy kolektorem a emiterem.

Tranzystor unipolarny (polowy)

a)

b)

Rys. 25. Symbol graficzny tranzystora unipolarnego JFET

a) z kanałem typu N, b) z kanałem typu P[3, s. 82]

Tranzystor unipolarny posiada trzy elektrody bramkę (oznaczoną symbolem G), dren

(oznaczony symbolem D) i źródło (oznaczony symbolem S).

Tyrystor, diak i triak to elektroniczne elementy przełączające stosowane do sterowania

urządzeń energoelektronicznych.

Tyrystor
Tyrystor posiada trzy elektrody: anodę –A, katodę – K i elektrodę sterującą czyli bramkę

– G. Zwany jest diodą sterowaną, ponieważ może przewodzić prąd tylko w jedną stronę,
podobnie jak dioda, pod warunkiem wysterowania bramki. Tyrystor jest powszechnie
stosowany w układach energoelektronicznych, między innymi w prostownikach sterowanych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

46

a)

b)

c)

Rys. 26. Symbole: a) tyrystora, b) diaka c) triaka [3, s. 79]

Triak
Triak zwany jest też tyrystorem symetrycznym. Posiada trzy elektrody: anodę oznaczoną

symbolem A, katodą oznaczoną symbolem K i bramkę oznaczoną symbolem G. Różni się od
tyrystora tym, że może przewodzić prąd w obu kierunkach.

Diak
Diak zwany jest też diodą spustową, przewodzi prąd w dwóch kierunkach. Jest to triak

bez wyprowadzonej bramki. Diaki stosowane są do sterowania triakami.

4.7.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.

Jakimi własnościami elektrycznymi charakteryzują się półprzewodniki?

2.

Na czym polega polaryzacja złącza PN?

3.

Jakie zastosowanie ma dioda prostownicza?

4.

Jaka jest różnica w działaniu diody prostowniczej i Zenera?

5.

W jakim celu stosuje się diody LED?

6.

Jaka jest zasada działania tyrystora?

7.

Jakie elementy nazywamy przełączającymi i gdzie są stosowane?

8.

Jaka jest różnica w działaniu tyrystora i triaka?

9.

Jakie znasz typy tranzystorów?

10.

Jakie wyprowadzenia posiada tranzystor bipolarny, a jakie unipolarny?

4.7.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ parametry tranzystora bipolarnego na podstawie katalogu elementów

elektronicznych. Rozróżnij jego wyprowadzenia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

dokonać oględzin otrzymanego tranzystora,

2)

określić typ tranzystora,

3)

wybrać odpowiedni katalog elementów elektronicznych,

4)

wyszukać w katalogu kartę danego typu tranzystora,

5)

określić parametry elementu,

6)

rozróżnić wyprowadzenia tranzystora,

7)

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

47

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

tranzystor bipolarny,

−

katalogi elementów elektronicznych.

Ćwiczenie 2

Wyszukaj na otrzymanym schemacie elektrycznym symbole: diody prostowniczej,

stabilizacyjnej oraz tranzystora bipolarnego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeanalizować treść zadania,

2)

zapoznać się z otrzymanym schematem elektrycznym,

3)

odszukać na schemacie symbole: diody prostowniczej, stabilizacyjnej oraz tranzystora
bipolarnego,

4)

zaprezentować wyniki pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

schemat układu elektronicznego,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

scharakteryzować właściwości półprzewodników?

2)

scharakteryzować

przewodzenie

prądu

elektrycznego

przez

półprzewodniki?

3)

scharakteryzować złącze PN?

4)

wyjaśnić zasadę działania podstawowych elementów elektronicznych?

5)

rozróżnić symbole graficzne podstawowych elementów elektronicznych?

6)

określić na podstawie katalogu parametry elementów elektronicznych?

7)

rozróżnić wyprowadzenia elementów elektronicznych?

8)

scharakteryzować zastosowanie podstawowych elementów elektronicznych?

9)

wyjaśnić różnice w działaniu triaka i tyrystora?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

48

4.8. Układy elektroniczne

4.8.1. Materiał nauczania

Prostownik to układ przetwarzający napięcie zmienne w napięcie jednokierunkowe

tętniące. Do jego budowy wykorzystuje się elementy przewodzące prąd w jednym kierunku:
diody lub tyrystory.

Prostownik w układzie mostka (Graetza)
Najpopularniejszym prostownikiem jest prostownik dwupołówkowy w układzie mostka

(Graetza).

a)

b)

Rys. 27. Prostownik dwupołówkowy w układzie mostka Graetza

a) schemat, b) wykresy czasowe napięcia wjściowego U

wy

oraz prądu wyjściowego U

wy

[3, s. 105]

W czasie dodatniej połówki napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne

transformatora, przez diodę D

1

, obciążenie R

L

i diodę D

3

, natomiast przy ujemnej połówce

napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne transformatora, przez diodę D

2

,

obciążenie R

L

i diodę D

4

. W obu przypadkach prąd przez obciążenie płynie w tym samym

kierunku i ma charakter pulsujący. Jeżeli w układzie prostownika dwupołówkowego
zastosujemy filtr w postaci kondensatora C uzyskamy znacznie lepszy stosunek czasu
rozładowania kondensatora do czasu ładowania niż w układzie jednopołówkowym. Zatem
przy tym samym obciążeniu czas rozładowania kondensatora w układzie mostkowym jest
znacznie krótszy niż w układzie jednopołówkowym. Efektem tego są mniejsze tętnienia
napięcia wyjściowego.

Stabilizatory napięcia stosuje się w celu uzyskania stałej wartości napięcia

elektrycznego. Zasadniczym elementem stabilizatora jest dioda Zenera.

Rys. 28. Układ stabilizatora parametrycznego [3, s. 296]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

49

Najprostszy stabilizator to tzw. stabilizator parametryczny. Układ ten jest zbudowany
z rezystora i połączonej z nim szeregowo diody stabilizacyjnej. Jeśli napięcie wejściowe,
będzie miało mniejszą wartość niż napięcie Zenera, dioda nie przewodzi prądu, a wartość
napięcia wyjściowego jest równa wartości napięcia wejściowego. Jeżeli natomiast napięcie
wejściowe uzyska wartość napięcia Zenera lub wzrośnie ponad tą wartość, dioda zacznie
przewodzić, a napięcie wyjściowe będzie równe napięciu Zenera.

Układy stabilizatorów produkowane obecnie w postaci układów scalonych mają znacznie

bardziej skomplikowaną i rozbudowaną konstrukcję.

Zasilacze dostarczają do urządzenia zasilanego napięcia stałe, które są wytwarzane przez

transformowanie i prostowanie napięcia sieciowego. Uzyskane w ten sposób napięcie stałe
charakteryzuje się znacznymi tętnieniami, a ponadto jego wartość zmienia się na skutek
zmian napięcia sieci, a także zmian obciążenia. Z tego względu zasilacz zawiera zazwyczaj
stabilizator napięcia, którego zadaniem jest utrzymanie stałej wartości napięcia. Ponadto
każdy zasilacz sieciowy napięcia stałego musi składać się z bloku obniżającego napięcie sieci
230 V – transformatora i układu zamieniającego obniżone napięcie przemienne na stałe, czyli
układu prostownika z filtrem.

Rys. 29. Schemat blokowy zasilacza [18]

Wzmacniacze

Rys. 30. Schemat blokowy wzmacniacza [3, s. 144]

Zadaniem wzmacniacza jest wzmocnienie sygnału przy zachowaniu jego nie

zmienionego kształtu. Wzmacniacze mogą wzmacniać sygnały stałe (wolnozmienne), albo
zmienne.

Najważniejszym parametrem wzmacniacza jest współczynnik wzmocnienia (zwany

w skrócie wzmocnieniem), będący stosunkiem amplitudy sygnału na wyjściu wzmacniacza do
amplitudy sygnału na jego wejściu.
Ze względu na przeznaczenie rozróżniamy wzmacniacze napięciowe, prądowe i mocy.

Układy scalone
Powszechnie stosowane są obecnie układy scalone spełniające określoną funkcję

układową, w której wszystkie lub część elementów są wykonane nierozłącznie w podłożu lub
umieszczone na podłożu. W układzie takim nie jest możliwe rozłączenie elementów, zmiana
ich połączenia czy naprawa. Układ scalony może spełniać tylko jedną funkcję. W postaci
układów scalonych produkuje się prostowniki, stabilizatory, wzmacniacze, generatory
i szereg specjalistycznych układów o ściśle określonych parametrach.

W technice cyfrowej stosowane są układy scalone zawierające podstawowe elementy

logiczne czyli bramki, ale też układy cyfrowe takie jak liczniki czy rejestry.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

50

Wzmacniacz operacyjny to najbardziej rozpowszechniony analogowy układ

elektroniczny realizowany jako monolityczny układ scalony. Jego sposób działania jest
określone przez dołączone elementy zewnętrzne. Wzmacniacz operacyjny posiada jedno
wyjście i dwa wejścia: odwracające (oznaczone („–”) i nieodwracające (oznaczone „+”).
Wzmacniana jest różnica sygnałów z tych wejść, a wartość tego wzmocnienia jest bardzo
duża.

Wzmacniacz operacyjny służy do budowy wielu układów wzmacniających, generatorów,

komparatorów i innych.

a)

Rys. 31. a) Symbol wzmacniacza operacyjnego [3, s.197]

b) Wzmacniacz nieodwracający [3, s.206], c) Wzmacniacz odwracający [3, s.204]

Generator to układ wytwarzający przebiegi elektryczne o określonym kształcie np.
sinusoidalnym (generatory przebiegów sinusoidalnych), prostokątnym czy trójkątnym
(generatory przebiegów niesinusoidalnych). Generator przetwarza energię elektryczną
pozyskiwaną ze źródła napięcia zasilania, zamieniając ją (z pewnymi stratami) w energię
generowanego napięcia zmiennego. W zależności od układu określającego częstotliwość
drgań rozróżniamy generatory:

−

LC – gdzie częstotliwość zależy od obwodu rezonansowego LC,

−

RC – gdzie układ ten złożony jest z elementów rezystancyjnych R i pojemnościowych C,

−

elektromechaniczne – posiadające elementy wytwarzające drgania mechaniczne np.
płytkę piezoelektryczną (szczególnie rozpowszechnione są tego typu generatory
kwarcowe).

W celu wzbudzenia drgań stosuje się najczęściej sprzężenie zwrotne, rzadziej elementy

o ujemnej rezystancji (ze względu na gorsze parametry układu), połączone z szeregowym lub
równoległym obwodem rezonansowym LC.
Generator ze sprzężeniem zwrotnym składa się z wzmacniacza o wzmocnieniu napięciowym
K

u

oraz bloku sprzężenia zwrotnego .

Rys. 32. Schemat blokowy generatora [3, s. 252]

Podstawowe układy generatorów LC ze sprzężeniem zwrotnym to generatory Meissnera,

Colpittsa i Hartleya.

W generatorze Meissnera sprzężenie zwrotne realizowane jest za pomocą transformatora,

którego uzwojenie wtórne o indukcyjności L

2

i kondensator C

2

tworzą obwód rezonansowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

51

Generator Colpittsa zawiera dzielnik pojemnościowy C

1

, C

2

, określający wartość napięcia

dodatniego sprzężenia zwrotnego. Częstotliwość generowanych drgań określona jest przez
obwód rezonansowy złożony z połączonych szeregowo kondensatorów C

1

i C

2

i cewki

o indukcyjności L

12

.

W generatorze Hartleya dodatnie sprzężenie zwrotne realizuje cewka z dzielonym

uzwojeniem (L

1

, L

2

).Częstotliwość generowanego sygnału określa równoległy obwód

rezonansowy złożony z indukcyjności L = L

1

+ L

2

i pojemności C

12

.

Rys. 33. Układy generatorów LC drgań sinusoidalnych [3, s. 255]

Generatory impulsów prostokątnych zwane są też przerzutnikami znalazły szerokie
zastosowanie w układach cyfrowych sterujących pracą skomplikowanych urządzeń
elektrycznych i elektronicznych

Przerzutniki astabilne czyli multiwibratory to układy samowzbudne generujące przebiegi

okresowe o kształcie prostokątnym.

Przerzutniki monostabilne czyli uniwibratory wytwarzają jednorazowy impuls

prostokątny. Mają jeden stan trwałej równowagi, który utrzymuje się tak długo, aż pojawi się
impuls wyzwalający. Wówczas następuje przejście ze stanu stabilnego do niestabilnego.

Przerzutniki mają dwa stany równowagi trwałej, między którymi przejścia następują po

zadziałaniu zewnętrznych sygnałów wyzwalających lub synchronizujących. Układy te noszą
również nazwę układów flip–flop.

Układy wszelkich generatorów można realizować z wykorzystaniem wzmacniacza

operacyjnego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

52

d)

Rys. 34. a), b), c) przerzutniki astabilne ze wzmacniaczami operacyjnymi

d) uniwibrator ze wzmacniaczem scalonym [3, s. 274]

4.8.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.

Jaka jest zasada działania prostownika?

2.

W jakim celu stosuje się stabilizator?

3.

Z jakich układów zbudowany jest zasilacz?

4.

Do czego służy wzmacniacz?

5.

Co to jest układ scalony?

6.

Czym charakteryzuje się wzmacniacz operacyjny?

7.

Jakie układy można budować w oparciu o wzmacniacz operacyjny?

8.

Jakie jest zadanie generatora?

9.

W jaki sposób określa się częstotliwość drgań generatorów?

10.

Jakie przebiegi generują przerzutniki?

4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ na podstawie dokumentacji technicznej z jakich układów składa się zasilacz

stabilizowany. Scharakteryzuj działanie tych układów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

zapoznać się z dokumentacją techniczną zasilacza stabilizowanego,

2)

scharakteryzować zasadę działania zasilacza,

3)

rozróżnić na schemacie poszczególne układy urządzenia,

4)

scharakteryzować działanie rozróżnionych układów,

5)

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna zasilacza stabilizowanego,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

53

Ćwiczenie 2

Określ typ i zastosowanie układu scalonego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

dokonać oględzin otrzymanego układu scalonego,

2)

odczytać oznaczenia układu,

3)

określić typ układu posługując się katalogiem elementów i układów elektronicznych,

4)

scharakteryzować zastosowanie układu scalonego,

5)

zaprezentować wyniki swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

katalog elementów i układów elektronicznych,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.8.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

scharakteryzować budowę i zasadę działania prostownika?

2)

wyjaśnić zasadę działania stabilizatora?

3)

scharakteryzować budowę i działanie zasilacza?

4)

określić zasadę działania układów wzmacniających i generacyjnych?

5)

scharakteryzować układy scalone?

6)

określić na podstawie katalogu elementów i układów elektronicznych
typ i zastosowanie scalonego układu elektronicznego?

7)

scharakteryzować wzmacniacz operacyjny?

8)

scharakteryzować generatory ze względu na budowę?

9)

określić zastosowanie podstawowych układów elektronicznych?

10)

wyjaśnić działanie układów elektronicznych na podstawie schematów?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

54

4.9. Elementy i układy logiczne

4.9.1. Materiał nauczania

Układy logiczne zbudowane są z elementów logicznych zwanych bramkami logicznymi.

Bramki logiczne.
Bramki to podstawowe elementy logiczne zwane też funktorami, które realizują funkcje

logiczną jednej lub wielu zmiennych.

Zmienna logiczna to sygnał elektryczny (napięcie) dwustanowy o wartościach logicznych

1 i 0. Podstawowe funkcje logiczne to: suma logiczna, iloczyn logiczny i negacja.
Suma logiczna oznacza a + b jest równa 1, gdy którykolwiek ze składników jest równy 1.
Iloczyn logiczny oznaczony

b

a

⋅

, jest równy 1, gdy wszystkie czynniki są równe 1.

Suma logiczna i iloczyn logiczny mogą mieć dowolną ilość argumentów.
Negacja jest działaniem jednoargumentowym i równa się 1 gdy argument ma wartość 0.
Działanie bramek logicznych opisuje się za pomocą

−

tablic prawdy, które ujmują wszystkie kombinacje sygnałów wejściowych

−

i odpowiadające im wyniki sygnałów wyjściowych.

−

funkcji logicznych.

Bramka OR (LUB) może mieć dwa lub więcej wejść, realizuje funkcję sumy logicznej

a + b

a)

b)

Rys. 35. Dwuwejściowa bramka OR: a) symbol graficzny, b) tablica prawdy [4, s. 34]

Bramka AND ( I ) może mieć dwa lub więcej wejść, realizuje funkcję iloczynu

logicznego ab

a)

b)

Rys. 36. Dwuwejściowa bramka AND: a) symbol graficzny; b) tablica prawdy [4, s. 34]

a b

a + b

0 0

0

0 1

1

1 0

1

1 1

1

a

b

ab

0 0

0

0 1

0

1 0

0

1 1

1

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

55

Bramka NOT ( NIE ) posiada jedno wejście i realizuje funkcję negacji

a

a)

b)

Rys. 37. Bramka NOT: a) symbole graficzne; b) tablica prawdy [4, s. 34]

Bramka NAND ( NIE I ) może mieć dwa lub więcej wejść, realizuje funkcję

zanegowanego iloczynu logicznego

ab

a)

b)

Rys. 38. Dwuwejściowa bramka NAND: a) symbole graficzne; b) tablica prawdy [4, s. 35]

Bramka NOR ( NIE LUB ) może mieć dwa lub więcej wejść, realizuje funkcję sumy

logicznej

b

a

+

.

a)

b)

Rys. 39. Dwuwejściowa bramka NOR: a) symbole graficzne; b) tablica prawdy [4, s. 36]

Bramka NOR jest funkcjonalnie pełna.

Branka Ex-OR (XOR, ALBO) realizuje funkcję sumy modulo dwa opisana zależnością:

a

⊕

b = a

b

+

a

b

a)

b)

Rys. 40. Dwuwejściowa bramka Ex-OR: a) symbol graficzny; b) tablica prawdy [4, s. 36]

a

a

0 1
1 0

a

b

ab

0 0

1

0 1

1

1 0

1

1 1

0

a

b

b

a

+

0 0

1

0 1

0

1 0

0

1 1

0

a

b a

⊕

b

0 0

0

0 1

1

1 0

1

1 1

0

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

56

Branka Ex-NOR (NIE ALBO) realizuje funkcję równoważności a

⊗

b = a

≡

b = ab +

a b

a)

b)

Rys. 41. Dwuwejściowa bramka Ex-NOR a) symbol graficzny; b) tablica prawdy. [4, s. 36]

Podstawowe układy logiczne to układy kombinacyjne służące do sterowania

skomplikowanymi

układami

czy

urządzeniami

elektronicznymi.

Wśród

układów

kombinacyjnych wyróżniamy układy komutacyjne umożliwiające przełączanie sygnałów
cyfrowych. Należą do nich: multipleksery, demultipleksery.

Multiplekser służy do wyboru jednego z sygnałów wejściowych i przekazania go na

wyjście układu.

Demultiplekser umożliwia przekazanie sygnału z wejścia informacyjnego do jednego

z jego wyjść.

a)

b)

c)

Rys. 42. Symbole graficzne a) multipleksera. [4, s. 201], b) demultipleksera. [4, s. 203], c) ALU [4, s. 233]

Układem realizującym funkcje logiczne jest też jednostka arytmetyczno-logiczna ALU,

stanowiąca podstawowy blok mikroprocesora. Prócz operacji logicznych wykonuje również
operacje arytmetyczne.

Układy sekwencyjne są układami kombinacyjnymi wyposażonymi w pamięć. Stan

wyjść w układzie sekwencyjnym zależy od stanu wejść oraz od poprzednich stanów
wyjściowych. Elementem pamiętającym w układzie sekwencyjnym jest przerzutnik.
Jednocześnie przerzutnik jest najprostszym układem sekwencyjnym.
Przerzutniki dzielimy na :

−

asynchroniczne, które nie posiadają wejścia zegarowego,

−

synchroniczne, które reagują na informacje podaną na wejścia informacyjne tylko
w obecności aktywnego sygnału zegarowego (stan wejść informacyjnych powinien być
wówczas ustalony).
Przerzutnik synchroniczny typu D posiada jedno wejście informacyjne D oraz wejście

zegarowe. Przy aktywnym sygnale zegarowym informacja z wejścia D zostaje przepisana na
wyjście Q.

Przerzutnik synchroniczny typu T posiada jedno wejście informacyjne T oraz wejście

zegarowe C. Zmiana stanu wyjścia przerzutnika na przeciwny następuje przy aktywnym
sygnale zegarowym i jedynce logicznej na wejściu T.

a

b a

⊗

b

0 0

1

0 1

0

1 0

0

1 1

1

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

57

Przerzutnik synchroniczny typu RS posiada dwa wejścia informacyjne S ustawiające

oraz R – zerujące i wejście zegarowe C. Stan 11 na wejściach informacyjnych jest stanem
zabronionym.

Przerzutnik synchroniczny typu RS posiada dwa wejścia informacyjne J oraz K

i wejście zegarowe C. Wejście J = 1 ustawia przerzutnik w stan 1, natomiast wejście K = 1
ustawia przerzutnik w stan 0. Stan 11 na wejściach informacyjnych powoduje zmianę stanu
wyjścia przerzutnika na przeciwny.

a)

b)

c)

d)

Rys. 43. Symbole przerzutników synchronicznych:

a) D [4, s. 122], b) T [4, s. 123], c) RS [4, s. 123], d) JK [4, s. 123],

4.9.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.

Na jakich wartościach operują funkcje logiczne?

2.

Jakie znasz funkcje logiczne?

3.

Z jakich elementów budowane są układy logiczne?

4.

Jakie znasz bramki logiczne?

5.

Jakie jest zadanie układów komutacyjnych?

6.

Czym charakteryzują się układy sekwencyjne?

7.

Jakie znasz przerzutniki?

4.9.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Rozróżnij układ scalony zawierający dwuwejściowe bramki NAND. Określ jego

wyprowadzenia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

odszukać w katalogu elementów i układów elektronicznych rozdział dotyczący
cyfrowych układów scalonych,

2)

określić, który układ scalony zawiera dwuwejściowe bramki NAND,

3)

określić ile zawiera elementów i jak są jego wyprowadzenia,

4)

wybrać spośród otrzymanych elementów układ UCY7400,

5)

rozróżnić wyprowadzenia układu,

6)

scharakteryzować działanie bramki NAND,

7)

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

58

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

różne układy scalone, wśród nich układ UCY7400,

−

katalog elementów i układów elektronicznych,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Rozróżnij na schemacie układu elektronicznego symbole elementów logicznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeanalizować otrzymany schemat,

2)

rozróżnić na schemacie symbole elementów logicznych,

3)

określić funkcje logiczne jakie realizują rozróżnione elementy,

4)

zaprezentować wyniki ćwiczenia

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

schemat funkcjonalny układu elektronicznego z bramkami logicznymi,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.9.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

realizować funkcje logiczne?

2)

wyjaśnić działanie podstawowych bramek logicznych?

3)

rozróżnić na schemacie ideowym symbole elementów i układów
logicznych?

4)

określić zadania układów komutacyjnych?

5)

dobrać z katalogu elementów i układów elektronicznych, układ scalony
zawierający określone elementy logiczne?

6)

rozróżnić na podstawie katalogu elementów i układów elektronicznych,
wyprowadzenia układu scalonego zawierającego elementy logiczne?

7)

rozróżnić przerzutniki?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

59

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.

Przeczytaj uważnie instrukcję zanim zaczniesz rozwiązywać zadania.

2.

Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.

3.

Test składa się z 20 zadań dotyczących obwodów prądu stałego i zmiennego
jednofazowego. Zadania od nr 1 do nr 15 są z poziomu podstawowego. Zadania od nr 16
do nr 20 są z poziomu ponadpodstawowego.

4.

Zadania zawierają cztery odpowiedzi, z których tylko jedna jest poprawna. Wybraną
odpowiedź zakreśl znakiem X.

5.

Jeśli uznasz, że pomyliłeś się i wybrałeś nieprawidłową odpowiedź, to otocz ją kółkiem,
a prawidłową odpowiedź zaznacz znakiem X.

6.

Dodatkowe obliczenia wykonaj na drugiej stronie karty odpowiedzi.

7.

Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz mógł sprawdzić poziom swojej wiedzy.

8.

Jeśli jakieś zadanie sprawi Ci trudność, rozwiąż inne i ponownie spróbuj rozwiązać
trudniejsze.

9.

Przed wykonaniem każdego zadania przeczytaj bardzo uważnie polecenie.

10.

Odpowiedzi udzielaj tylko na załączonej karcie odpowiedzi.

11.

Na rozwiązanie wszystkich zadań masz 60 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1.

Zależność: i =

(

)

ϕ

+

⋅

ωt

sin

I

m

, określa wartość

a)

skuteczną prądu przemiennego.

b)

średnią prądu przemiennego.

c)

chwilową prądu stałego.

d)

chwilową prądu przemiennego.

2.

Rezystory, kondensatory i cewki to elementy elektryczne
a) źródłowe.
a)

odbiorcze.

b)

regulacyjne.

c)

wzmacniające.

3.

Watomierz służy do pomiaru:
a)

pośredniego mocy.

b)

napięcia.

c)

bezpośredniego mocy.

d)

prądu.

4.

Woltomierze mierzą wartość:
a)

średnią napięcia przemiennego.

b)

chwilową napięcia przemiennego.

c)

skuteczną napięcia przemiennego.

d)

międzyszczytową napięcia przemiennego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

60

5.

W obwodzie elektrycznym nierozgałęzionym elementy połączone są
a)

szeregowo.

b)

równoległe.

c)

mieszanie.

d)

w gwiazdę.

6.

Rysunek przedstawia symbol
a)

diody stabilizacyjnej.

b)

diody prostowniczej.

c)

diody LED.

d)

tyrystora.

7.

Rezystory nie są łączone
a)

szeregowo.

b)

równolegle.

c)

mieszanie.

d)

łańcuchowo.

8.

Bramki OR realizują funkcję
a)

sumy logicznej.

b)

iloczynu logicznego.

c)

zanegowanego iloczynu logicznego.

d)

zanegowanej sumy logicznej.

9.

Do osprzętu instalacyjnego nie należą
a)

gniazda czyli łączniki wtykowe

b)

odgałęźniki,

c)

zasilacze.

d)

bezpieczniki.

10.

Maszyną elektryczną indukcyjną jest
a)

piec indukcyjny.

b)

silnik trójfazowy.

c)

silnik prądu stałego.

d)

prądnica prądu stałego.

11.

Znamionowy moment obrotowy jest parametrem
a)

elektrycznych urządzeń grzewczych.

b)

urządzeń sterowania automatycznego.

c)

urządzeń zasilających.

d)

napędowych urządzeń elektrycznych.

12.

W układach automatycznego sterowania elektrycznego załączania silników stosuje się
a)

styczniki.

b)

wzmacniacze operacyjne.

c)

zasilacze.

d)

generatory.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

61

13.

Jednostką mocy czynnej prądu przemiennego jest
a) wolt [V].
b) om [

Ω

].

c) wat [W].
d) herc [Hz].

14.

Wśród elektrycznych urządzeń grzewcze, nie wyróżniamy urządzeń
a) potencjometrycznych.
b) pojemnościowych.
c) rezystancyjnych.
d) indukcyjnych.

15.

Elektronicznym elementem przełączającym nie jest
a) tyrystor.
b) triak.
c) dioda spustowa.
d) dioda stabilizacyjna.

16.

Rysunek przedstawia schemat przebiegu napięcia wejściowego i wyjściowego układu
a)

prostownika dwupołówkowego z filtrem pojemnościowym.

b)

generatora napięcia sinusoidalnie zmiennego.

c)

prostownika jednopołówkowego.

d)

prostownika jednopołówkowego z filtrem pojemnościowym.

17.

Wartość okresu napięcia przemiennego o częstotliwości f = 500Hz wynosi
a)

2 s.

b)

0,002 ms.

c)

500 s.

d)

2 ms.

18.

Rysunek przedstawia schemat układu do pomiaru mocy
a)

prądu stałego metodą bezpośrednią.

b)

biernej prądu stałego metodą techniczną.

c)

czynnej w obwodzie prądu przemiennego, metodą bezpośrednią i techniczną.

d)

biernej prądu stałego metodą techniczną.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

62

19.

Moc wydzielona na rezystorze o rezystancji 1 k

Ω

, na którym woltomierz wskazał spadek

napięcia 5V wynosi
a)

25W.

b)

25mW.

c)

20W.

d)

20mW.

20.

Wartość skuteczna prądu przemiennego płynącego przez rezystor R = 10 k

Ω

, na który

woltomierz wskazał spadek napięcia U = 15 V

wynosi:

a)

15 mA.

b)

1,5 mA .

c)

1,5 A.

d)

150 mA.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

63

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko................................................................................................

Analizowanie układów elektrycznych i elektronicznych

Zakreśl poprawną odpowiedź

Nr

zadania

Odpowiedź

Punkty

1.

a

b

c

d

2.

a

b

c

d

3.

a

b

c

d

4.

a

b

c

d

5.

a

b

c

d

6.

a

b

c

d

7.

a

b

c

d

8.

a

b

c

d

9.

a

b

c

d

10.

a

b

c

d

11.

a

b

c

d

12.

a

b

c

d

13.

a

b

c

d

14.

a

b

c

d

15.

a

b

c

d

16.

a

b

c

d

17.

a

b

c

d

18.

a

b

c

d

19.

a

b

c

d

20.

a

b

c

d

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

64

6.

LITERATURA

1.

Bastion P., Wicher W., Schubert G., Spielvogel O.: Praktyczna elektrotechnika ogólna.
REA, Warszawa 2005

2.

Bolkowski S.: Elektrotechnika. WSiP, Warszawa 2000

3.

Chwalebna A., Moeschke B., Płoszajski G.: Elektronika WSiP, Warszawa 1996

4.

Głocki W.: Układy cyfrowe. WSiP, Warszawa 2000

5.

Jabłoński W., Płoszajski G.: Elektronika z automatyką. WSiP, Warszawa 2003

6.

Karty katalogowe i dokumentacja typowych urządzeń stosowanych w górnictwie

7.

Kostro J.: Elementy, urządzenia i układy automatyki. WSiP, Warszawa 1997

8.

Kotlarski W., Grad J.: Aparaty i urządzenia elektryczne. WSiP, Warszawa 2004

9.

Krasicki F.: Zagrożenia elektryczne w górnictwie. Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1984

10.

Krasucki F.: Elektryfikacja podziemnych zakładów górniczych. Wydawnictwo PŚl,
Gliwice 1998

11.

Kurdziel R.: Elektrotechnika. WSiP, Warszawa 1992

12.

Marusak A.: Urządzenia elektroniczne. Cz. III. Budowa i działanie urządzeń. WSiP,
Warszawa 2000

13.

Mastaliński M., Siwek W.: Maszyny, urządzenia elektryczne i automatyka w górnictwie.
Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1998

14.

Maszynoznawstwo. WSiP, Warszawa 1993

15.

Pióro B. i M.: Podstawy elektroniki. WSiP, Warszawa 1996

16.

Utikal J.: Elektronika i automatyka w górnictwie. Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1981

17.

Normy dotyczące układów regulacji i sterowania

18.

www.elfa.se

19.

www.silnikielektryczne.prv.pl