Operator_maszyn_i_urządzen_do_obrobki_plastycznej

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Energia elektryczna. Pomiary energii elektrycznej

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Obwód elektryczny

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Podstawowe prawa elektrotechniki

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Pomiary wielkości elektrycznych

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Transformator

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

4.6. Silniki prądu stałego. Silniki indukcyjne

4.6.1. Materiał nauczania

4.6.2. Pytania sprawdzające

4.6.3. Ćwiczenia

4.6.4. Sprawdzian postępów

4.7. Instalacje elektryczne

4.7.1. Materiał nauczania

4.7.2. Pytania sprawdzające

4.7.3. Ćwiczenia

4.7.4. Sprawdzian postępów

4.8. Technika oświetleniowa. Urządzenia grzewcze

4.8.1. Materiał nauczania

4.8.2. Pytania sprawdzające

4.8.3. Ćwiczenia

4.8.4. Sprawdzian postępów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Podstawy elektroniki

4.9.1. Materiał nauczania

4.9.2. Pytania sprawdzające

4.9.3. Ćwiczenia

4.9.4. Sprawdzian postępów

4.10. Układy i elementy automatyki

4.10.1. Materiał nauczania

4.10.2. Pytania sprawdzające

4.10.3. Ćwiczenia

4.10.4. Sprawdzian postępów

4.11. Mikroprocesory i sterowniki mikroprocesorowe

4.11.1. Materiał nauczania

4.11.2. Pytania sprawdzające

4.11.3. Ćwiczenia

4.11.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik ten pomoŜe Ci w przyswajaniu wiedzy z zakresu układów elektrycznych

i automatyki przemysłowej, umiejętności ich analizy i badania.

W poradniku zamieszczono

−

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

−

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

−

materiał nauczania – czyli wiadomości dotyczące układów elektrycznych i automatyki
przemysłowej,

−

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

−

wiczenia, które umoŜliwią 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  pomoŜe  Ci  w  procesie  przyswajania  wiedzy  wskazując
te treści, które są kluczowe dla Twojego zawodu lub stanowią podstawę dalszego kształcenia.

Z rozdziałem „Pytania sprawdzające” moŜesz 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 automatyki przemysłowej 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 takŜe powrót do treści, które nie są dostatecznie
opanowane.

Poznanie przez Ciebie wszystkich lub określonej części wiadomości z zakresu układów

elektrycznych i automatyki przemysłowej, 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”

Schemat układu jednostek modułowych

812[01].O1

Techniczne podstawy zawodu

812[01].O1.01

Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony

przeciwpoŜarowej i ochrony środowiska

812[01].O1.02

Posługiwanie się dokumentacją

techniczną

812[01].O1.03

Stosowanie materiałów konstrukcyjnych

i narzędziowych

812[01].O1.04

Rozpoznawanie elementów maszyn

i mechanizmów

812[01].O1.05

Analizowanie układów elektrycznych

i automatyki przemysłowej

812[01].O1.06

Stosowanie mechanicznych technik wytwarzania

części maszyn

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

rozróŜnić podstawowe wielkości określające energię elektryczną oraz określić ich
jednostki,

−

rozpoznać elementy obwodu elektrycznego prądu stałego i przemiennego na podstawie
schematu,

−

scharakteryzować materiały: przewodzące, półprzewodzące, izolacyjne, magnetyczne,
konstrukcyjne,

−

dobrać materiał na izolator i przewodnik,

−

zmierzyć natęŜenie prądu i moc w obwodach prądu stałego oraz przemiennego
jednofazowego i trójfazowego,

−

rozróŜnić instalacje mieszkaniowe i przemysłowe,

−

rozróŜnić połączenia odbiorników szeregowo, równolegle, w gwiazdę i w trójkąt,

−

rozróŜnić: uziemienie ochronne, uziom, przewód uziemiający i zerowanie,

−

rozpoznać typowe usterki i uszkodzenia w obwodach instalacji i osprzęcie elektrycznym
maszyn i urządzeń,

−

przewidzieć zagroŜenia i ich skutki podczas pracy przy urządzeniach elektrycznych,

−

scharakteryzować przesył energii elektrycznej,

−

rozróŜnić napięcie przesyłowe i robocze,

−

wyjaśnić zasadę działania transformatora, prądnicy, silnika elektrycznego, prostownika,

−

wskazać róŜnice w budowie i pracy prądnicy i silnika,

−

określić parametry maszyn i urządzeń elektrycznych na podstawie tabliczki
znamionowej,

−

rozróŜnić podstawowe elementy elektroniczne,

−

rozróŜnić podstawowe elementy układu sterowania,

−

rozróŜnić elementy układów automatyki przemysłowej,

−

odczytać proste schematy układów automatycznej regulacji,

−

wykazać róŜnice między automatycznym sterowaniem, a automatyczną regulacją na
podstawie schematów blokowych,

−

wyjaśnić zadanie stycznika i przekaźnika w układach sterowania,

−

wyjaśnić przeznaczenie poszczególnych członów układów automatycznej regulacji,

−

określić funkcje sterownika w układach sterowania,

−

wykorzystać programy komputerowe do sterowania procesami technologicznymi,

−

posłuŜyć się PN, katalogami oraz poradnikami,

−

zastosować przepisy bhp, ochrony od poraŜeń prądem elektrycznym, ochrony ppoŜ.
podczas wykonywania pomiarów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Energia elektryczna. Pomiary energii elektrycznej

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 812[01]O1.01
„Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpoŜarowej”.

Aby zachować bezpieczeństwo podczas pracy przy urządzeniach elektrycznych

i elektronicznych naleŜy 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 uŜyciu dwubiegunowego próbnika napięć),
4) osłonić i oddzielić sąsiadujące elementy znajdujące się pod napięciem (moŜna

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 przeciwpoŜarowych, 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 i indukcyjność cewki.

Pojęciem prądu elektrycznego określamy zjawisko uporządkowanego ruchu ładunków

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

Prąd elektryczny moŜe nie zmieniać się w czasie, wtedy mówimy, Ŝe jest to prąd stały.

Jeśli natomiast prąd w czasie zmienia swoją wartość, kierunek przepływu (zwany teŜ
zwrotem) lub i wartość i kierunek przepływu, mówimy wtedy o prądzie zmiennym (rys. 1).

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

W obwodach elektrycznych większości urządzeń powszechnego uŜytku oraz maszyn

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Prąd sinusoidalnie zmienny jednofazowy

Rys. 2. Wykres prądu sinusoidalnie zmiennego [5, s. 82]

Wielkości charakteryzujące prąd sinusoidalnie zmienny: i =

sin

⋅

, gdzie:

−

i – wartość chwilowa,

−

wartość maksymalna, czyli amplituda,

−

prędkość kątowa czyli tzw. pulsacja,

−

okres czyli czas jednego cyklu T =

2π

= [s],

−

częstotliwość określająca ilość cykli na sekundę f =

, f [Hz]

W praktyce posługujemy się wartością skuteczną prądu sinusoidalnie zmiennego,

oznaczoną symbolem I, której wartość mierzą mierniki elektryczne (tabela 1).

Tabela 1. Podstawowe wielkości elektryczne

Wielkość elektryczna

Symbol

Nazwa jednostki

Oznaczenie jednostki

Prąd elektryczny

Amper

Napięcie elektryczne

Wolt

Potencjał elektryczny

Wolt

Rezystancja

Ω

Pojemność

Farad

Indukcyjność

Henr

Moc elektryczna

Wat

Energia elektryczna

DŜul

Energia elektryczna

Energia elektryczna to energia, jaką prąd elektryczny przekazuje odbiornikowi, który

zmieniają  na  inny  rodzaj  energii  np.  Ŝarówka  jako  odbiornik  zamienia  energię  elektryczna
na świetlna.  Odbiornik  moŜe  równieŜ  wykonywać  określona  prace  pracę  np.  silnik
elektryczny  porusza  ramię  robota  przemysłowego.  Energię  elektryczną  pobieraną  przez
urządzenie  oblicza  się  jako  iloczyn  natęŜenia  prądu  płynącego  przez  odbiornik,  napięcia
na odbiorniku i czasu przepływu prądu przez odbiornik:

W = U · I · t = P · t

Jednostką energii elektrycznej jest dŜul [J]:

[J] = [W] · [s]

ZuŜycie energii elektrycznej w gospodarstwach domowych i zakładach przemysłowych

mierzone jest licznikiem energii elektrycznej, a wyraŜane w kilowatogodzinach [kWh]

Im większa jest moc urządzenia, tym więcej zuŜywa energii elektrycznej w jednostce

czasu.

Informacja o mocy znamionowej, czyli takiej, którą urządzenie pobiera podczas swojej

pracy, jest podawana przez producenta w danych techniczne zamieszczonych w instrukcji
obsługi, na tabliczce znamionowej lub etykiecie energetycznej urządzeń.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rodzaje źródeł energii elektrycznej

KaŜde źródło energii elektrycznej jest w istocie przetwornikiem innej postaci energii

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

ródła elektromechaniczne to przetworniki energii mechanicznej w elektryczną –

przykładem  jest  prądnica  zwana  teŜ  generatorem  (rys.  3).  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.  Wartość
indukowanego  napięcia  zaleŜy  od  konstrukcji  prądnicy,  prędkości,  z  jaką  porusza  się  wirnik
oraz  od  parametrów  pola  magnetycznego.  Prądnice  posiadają  moc  od  setek  megawatów
(w elektrowniach) do dziesiątek watów (do zasilania spawarek, ładowania akumulatorów).

Rys. 3. Prądnica a) zasada działania, b) uproszczony model [1, s. 79, 80]

ródła chemiczne wytwarzają energię elektryczną dzięki reakcjom chemicznym.

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

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

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

Ogniwa dzielimy na pierwotne słuŜące do uŜytku jednorazowego oraz wtórne, które

mogą być rozładowywane i ponownie ładowane.

Ogniwa pierwotne i wtórne łączy się w baterie w celu uzyskania np. większego napięcia.
Akumulator jest ogniwem wtórnym (odwracalnym), poniewaŜ moŜe być wielokrotnie

wyładowywany i ponownie naładowywany. SłuŜy on do magazynowania energii elektrycznej.
Parametrami akumulatorów są sprawność pojemnościowa i sprawność energetyczna.

ródła cieplne zamieniają energię cieplną na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie

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

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 energie 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  transformują  energię  elektryczną  na  inną  wartość  napięcia,  natomiast
rozdzielnie rozdzielają ją (obecnie rozdzielnie spełniają obie te funkcje).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sieci energetyczne słuŜące do przesyłu i rozdziału energii elektrycznej dzieli się na:

−

sieci przemysłowe, słuŜące 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.

Podział materiałów ze względu na właściwości elektryczne

Materiały uŜywane w obwodach elektrycznych i elektronicznych mają róŜne własności

elektryczne tzn. w róŜny sposób przewodzą lub teŜ nie przewodzą prądu elektrycznego.

Ze względu na to dzielimy je na: przewodniki, półprzewodniki, dielektryki.
Przewodniki bardzo dobrze przewodzą prąd elektryczny. Ze względu na budowę i rodzaj

nośników ładunku elektrycznego dzielimy je na przewodniki pierwszego i drugiego rodzaju.

Przewodniki pierwszego rodzaju to metale, ich stopy oraz węgiel.
Przewodniki drugiego rodzaju to roztwory zasad, kwasów i soli zwane elektrolitami,

stosowane są np. w akumulatorach.

Dielektryki zwane inaczej izolatorami nie wykazują zdolności przewodzenia prądu

elektrycznego. Dielektryki stosuje się w elektrotechnice do wykonywania części izolowanych
elementów, maszyn i urządzeń np. w kondensatorach jako warstwę oddzielającą metalowe
okładziny. Izolatorami są np.: papier, powietrze, drewno, tworzywa sztuczne itd..

Półprzewodniki pod względem przewodnictwa prądu elektrycznego zajmują pośrednie

miejsce  pomiędzy  przewodnikami  i  dielektrykami.  RozróŜniamy  półprzewodniki  samoistne
oraz  domieszkowane.  Powszechnie  stosowane  w  elektronice  są  półprzewodniki
domieszkowane.

Ze względu na rodzaj domieszki rozróŜniamy półprzewodniki typy N i typu P.

W półprzewodniku  typy  N  nośnikami  większościowymi  ładunku  elektrycznego  są  elektrony.
Natomiast  w  półprzewodniku  typu  P,  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
i scalonych układach elektronicznych, takich jak diody, tranzystory, wzmacniacze operacyjne
i wielu innych.

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 sinusoidalnie zmienny?
4.  Jakie znasz rodzaje źródeł energii elektrycznej?
5.  Jakim urządzeniem mierzone jest zuŜycie energii elektrycznej?
6.  Jakie znasz źródła elektromechaniczne?
7.  Jak znasz chemiczne źródła energii elektrycznej?
8.  Czym róŜni się akumulator od ogniwa galwanicznego?
9.  W jaki sposób energia elektryczna jest przesyłana do odbiorców?
10.  Jak dzielimy materiały ze względu na właściwości elektryczne?
11.  Czym charakteryzują się przewodniki pierwszego, a czym drugiego rodzaju?
12.  Jakie znasz typy półprzewodników?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ, na podstawie tabliczki znamionowej, typ i parametry otrzymanego od

nauczyciela źródła energii elektrycznej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować treść zadania,
2)  dokonać oględzin otrzymanego źródła energii elektrycznej,
3)  rozpoznać typ źródła energii elektrycznej,
4)  określić,  na  podstawie  tabliczki  znamionowej,  parametry  otrzymanego  źródła  energii

elektrycznej,

5) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

ródło energii elektrycznej,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Oblicz okres napięcia sinusoidalnie zmiennego o częstotliwości f = 50 Hz.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapisać wzór określający częstotliwością napięcia sinusoidalnie zmiennego,
2)  przekształcić powyŜszy wzór, tak by moŜna było na jego podstawie obliczyć okres,
3)  dokonać niezbędnych obliczeń,
4)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Połącz symbole wielkości elektrycznych z odpowiadającymi im oznaczeniami jednostek.

Jeden z symboli nie będzie miał pary.

Symbol wielkości elektrycznej

Oznaczenie jednostki

Ω

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  rozpoznać symbol wielkości elektrycznej,
2)  przyporządkować danemu symbolowi oznaczenie jednostki,
3)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) przyporządkować wielkościom elektrycznym odpowiednie jednostki?

2) narysować przebieg czasowy prądu stałego?

3) narysować przebieg czasowy prądu sinusoidalnie zmiennego?

4) określić parametry prądu sinusoidalnie zmiennego?

5) obliczyć wartość okresu prądu sinusoidalnie zmiennego, znając jego

częstotliwość?

6) wymienić rodzaje źródeł energii elektrycznej?

7) opisać budowę i zasadę działanie prądnicy?

8) określić typ i parametry źródła energii elektrycznej na podstawie

tabliczki znamionowej?

9) scharakteryzować przesył energii elektrycznej?

10) podać przykłady przewodników ?

11) podać przykłady izolatorów?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Obwód elektryczny

4.2.1. Materiał nauczania

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

Obwód elektryczny prądu stałego i zmiennego jednofazowego tworzą elementy

elektryczne połączone ze sobą tak, by tworzyły przynajmniej jedną drogę zamkniętą,
umoŜliwiającą przepływ prądu elektrycznego.

Elementy obwodu elektrycznego moŜna 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 moŜna podzielić na trzy grupy: rezystory, kondensatory i cewki

oraz przetworniki energii elektrycznej.

KaŜdy element obwodu elektrycznego stanowi jego składową część, niepodzielną

ze względu na swoje własności. 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.

Wszystkie elementy elektryczne posiadają swoje symbole graficzne (rys. 4), 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 [1, s. 39]

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

tylko jeden prąd i rozgałęzione, w których płynie kilka prądów (rys. 5).

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W strukturze obwodu elektrycznego moŜna wyróŜnić: gałęzie, węzły i oczka. Gałąź

obwodu  elektrycznego  moŜe  zawierać  dowolną  ilość  elementów,  połączonych  ze  sobą
szeregowo (moŜe mieć teŜ tylko jeden element). Charakterystyczne dla gałęzi jest to, Ŝe 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,  Ŝe  usunięcie  dowolnej  gałęzi  uniemoŜliwi  przepływ
prądu (nie będzie istniała ani jedna droga zamknięta dla przepływu prądu).

MoŜemy zatem zauwaŜyć, Ŝe obwód:

–

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

–

nierozgałęziony posiada jedną gałąź,

–

nierozgałęziony stanowi jedno oczko.

Typy połączeń elementów w obwodzie elektrycznym prądu stałego i zmiennego
jednofazowego

Elementy obwodu elektrycznego prądu stałego i zmiennego mogą być połączone na trzy

sposoby: szeregowo, równolegle lub mieszanie.

W połączeniu szeregowym przez wszystkie elementy płynie ten sam prąd. Obwód

nierozgałęziony jest przykładem połączenia szeregowego.

Elementy połączone równolegle włączone są pomiędzy tę samą parę węzłów, zatem

występuje na nich to samo napięcie (rys. 6a).

Rys. 6. Schemat obwodu elektrycznego z elementami połączonymi a) równolegle, b) w sposób mieszany

Połączenie mieszane elementów elektrycznych występuje wówczas, gdy w tym samym

obwodzie część elementów połączona jest szeregowo, część natomiast równolegle (rys. 6b).

Obwody trójfazowe

Układem trójfazowym nazywamy zbiór trzech obwodów elektrycznych, w którym

działają trzy napięcia źródłowe sinusoidalnie zmienne o jednakowej częstotliwości,
przesunięte względem siebie o kąt 120° i wytwarzane w jednym źródle energii, którym
najczęściej jest generator lub prądnica trójfazowa.

ródło trójfazowe skojarzone w gwiazdę moŜe stanowić układ trójprzewodowy

lub czteroprzewodowy, jeśli punkt neutralny jest doprowadzony do odbiornika (rys. 7).

Rys. 7. Układ trójfazowy: a) trójprzewodowy, b) czteroprzewodowy [7, s. 100]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na zaciskach źródła trójfazowego skojarzonego w gwiazdę rozróŜniamy napięcia:

−

fazowe – U

, U

; są to napięcia pomiędzy zaciskiem fazowym a punktem

neutralnym,

−

międzyfazowe – U

L1L2

, U

L2L3

, U

L1L3

; są to napięcia występujące pomiędzy przewodami

fazowymi.

Układy odbiorników trójfazowych

W układach 3-fazowych w zaleŜności od przeznaczenia i rodzaju odbiornika stosuje

się połączenie w trójkąt i gwiazdę (rys. 8).

Rys. 8. Połączenie odbiorników trójfazowych a) w gwiazdę, b) w trójkąt [10, s. 39]

Odbiorniki trójfazowe mogą być:

−

symetryczne – jeśli obciąŜenie kaŜdej gałęzi jest takie samo,

−

niesymetryczne.

4.2.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jak dzielimy obwody elektryczne prądu stałego i zmiennego jednofazowego?
2.  Jak nazywa się graficzny obraz obwodu elektrycznego?
3.  Jak moŜna sklasyfikować elementy elektryczne?
4.  Jakie  znasz  rodzaje  połączeń  elementów  w  obwodach  prądu  stałego  i  zmiennego

jednofazowego?

5.  Co nazywamy układem trójfazowym?
6.  W jaki sposób moŜe być połączone źródło trójfazowe?
7.  Jakie rozróŜniamy układy odbiorników trójfazowych?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ rodzaj i sposób połączenia elementów obwodu elektrycznego, którego schemat

przedstawiony jest poniŜej. Jaki to obwód elektryczny?

Rysunek do ćwiczenia 1. Obwód elektryczny

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować schemat obwodu elektrycznego,
2)  określić rodzaj elementów z jakich składa się obwód,
3)  określić sposób połączenia elementów w obwodzie,
4)  sklasyfikować obwód przedstawiony na schemacie,
5)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Na schemacie, rozgałęzionego obwodu elektrycznego, zaznacz elementy połączone

szeregowo i elementy połączone równolegle.

Rysunek do ćwiczenia 2. Schemat rozgałęzionego obwodu elektrycznego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować schemat obwodu elektrycznego,
2)  zaznaczyć na schemacie elementy połączone szeregowo i elementy połączone równolegle,
3)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Narysuj schemat symetrycznego odbiornika trójfazowego połączonego w trójkąt.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  narysować schemat odbiornika trójfazowego połączonego w trójkąt,
2)  określić warunek symetryczności układu,
3)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) narysować symbole wybranych elementów elektrycznych?

2) narysować schemat przykładowego nierozgałęzionego obwodu elektrycznego?

3) narysować schemat przykładowego rozgałęzionego obwodu elektrycznego?

4) wskazać węzły, gałęzie i oczka na schemacie rozgałęzionego obwodu

elektrycznego?

5) rozróŜnić elementy połączone szeregowo na schemacie obwodu prądu

stałego i jednofazowego zmiennego?

6) rozróŜnić elementy połączone równolegle na schemacie obwodu prądu

stałego i jednofazowego zmiennego?

7) rozróŜnić źródło trójfazowe w układzie czteroprzewodowym?

8) rozróŜnić źródło trójfazowe w układzie trójprzewodowym?

9) określić układy połączenia odbiornika trójfazowego?

10) narysować schemat połączenia odbiornika trójfazowego w trójkąt?

11) narysować schemat połączenia odbiornika trójfazowego w gwiazdę?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.

Podstawowe prawa elektrotechniki

4.3.1. Materiał nauczania

Prawo Ohma

Prawo Ohma wyraŜa zaleŜność 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

ródłowe posiadają dwa zaciski, którym odpowiadają potencjały: wyŜszy (+) i niŜszy (

−

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 wyŜszego, zatem kierunek napięcia na odbiorniku jest
przeciwnie skierowany do płynącego przezeń prądu (rys. 9).

Rys. 9. Sposób strzałkowania prądu i napięcia na rezystorze [1, s. 43]

Prawem Ohma mówi, Ŝe spadek napięcia U na elemencie odbiorczym jest proporcjonalny

do iloczynu rezystancji R tego elementu i prądu I płynącego przezeń.

U = R I

Prawo Ohma moŜna przekształcić do dwóch postaci:

−

, skąd moŜna obliczyć wartość prądu płynącego przez rezystor znając jego

rezystancję i wartość spadku napięcia,

−

, skąd moŜna obliczyć wartość rezystancji rezystora znając jego wartość spadku

napięcia i prądu płynącego przez niego.
Prawo Ohma moŜna 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

= R I

I prawo Kirchhoffa

Pierwsze prawo Kirchhoffa mówi, Ŝe dla kaŜdego węzła obwodu elektrycznego suma

algebraiczna prądów jest równa zeru.

∑

Symbol

odpowiada indeksom prądów w danym węźle. Suma algebraiczna oznacza,

e do równania podstawia się wartości prądów ze znakami, zaleŜnymi od ich kierunku. Prądy

dopływające do węzła posiadają znak „+”, natomiast odpływające znak „–”.

Rys. 10. Przykładowy węzeł obwodu elektrycznego

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rysunku 10 pokazano przykładowy węzeł obwodu elektrycznego z zaznaczonymi

kierunkami prądów: prądy I

oraz I

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

prądy I

, I

oraz I

i I

odpływają z węzła, opatrzymy je zatem znakiem „

−

”. Dla

przedstawionego węzła moŜna napisać równanie w myśl I prawa Kirchhoffa:

−

Równanie to moŜemy przekształcić do postaci:

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 powyŜszej postaci moŜna przedstawić

w następujący sposób: dla kaŜdego węzła obwodu elektrycznego suma prądów
dopływających do węzła jest równa sumie prądów odpływających od węzła.

Prawo I Kirchhoffa naleŜy stosować w obwodach prądu zmiennego jednofazowego

w odniesieniu do wartości chwilowych prądów:

∑

II prawo Kirchhoffa

II prawo Kirchhoffa mówi, Ŝe w kaŜdym oczku obwodu elektrycznego prądu stałego

suma algebraiczna napięć źródłowych i odbiornikowych jest równa zeru:

∑

= 0

oznacza napięcia źródłowe, natomiast wyraŜenie

oznacza napięcia

odbiornikowe występujące na rezystancjach danego oczka. Symbole

odpowiadają

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

W obwodach prądu zmiennego jednofazowego II prawo Kirchhoffa naleŜy stosować

w odniesieniu do wartości chwilowych napięć źródłowych i odbiornikowych:

∑

⋅

PowyŜsza postać II prawa Kirchhoffa mówi, Ŝe w kaŜdym oczku obwodu elektrycznego

prądu zmiennego jednofazowego suma wartości chwilowych napięć źródłowych jest równa
sumie wartości chwilowych napięć odbiornikowych.

4.3.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jak zaznaczamy kierunek prądu w obwodach prądu stałego?
2.  Jak zaznaczamy kierunek prądu i napięcia na elementach źródłowych?
3.  Jak zaznaczamy kierunek prądu i napięcia na elementach odbiorczych?
4.  Jak brzmi prawo Ohma?
5.  Jakie znaki przyjmują prądy odpływające od węzła, a jakie dopływające do niego?
6.  Jak brzmi I prawo Kirchhoffa dla obwodów prądu stałego?
7.  Jak brzmi I prawo Kirchhoffa dla obwodów prądu zmiennego jednofazowego?
8.  Jak brzmi II prawo Kirchhoffa dla obwodów prądu stałego?
9.  Jak brzmi II prawo Kirchhoffa dla obwodów prądu zmiennego jednofazowego?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz wartość rezystancji R rezystora w obwodzie prądu stałego, na którym wystąpił

spadek napięcia U = 15 V przy przepływie prądu I o wartości 1,5 mA.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapisać prawo Ohma w podstawowej postaci,
2)  przekształcić zapisaną zaleŜność, tak by moŜna było obliczyć wartość rezystancji R,
3)  podstawić do otrzymanego wzoru dane liczbowe i obliczyć wartość rezystancji,
4)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

kalkulator,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Oblicz wartość skuteczną I prądu jednofazowego zmiennego płynącego przez rezystor

o rezystancji R równej 1 k

Ω

, jeśli woltomierz wskazał spadek napięcia na nim U = 3,5 V.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapisać prawo Ohma w podstawowej postaci,
2)  przekształcić zapisaną zaleŜność, tak by moŜna było obliczyć wartość skuteczną prądu I,
3)  podstawić do otrzymanego wzoru dane liczbowe i obliczyć wartość skuteczną prądu I,
4)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

kalkulator,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

W obwodzie, na przedstawionym rysunku, zaznacz kierunki prądów i zapisz I prawo

Kirchhoffa dla wszystkich węzłów tego obwodu.

Rysunek do ćwiczenia 3. Schemat obwodu rozgałęzionego prądu stałego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) oznaczyć węzły na schemacie,
2) zaznaczyć prądy w kaŜdej gałęzi obwodu,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3) zapisać I prawo Kirchhoffa dla kaŜdego z węzłów danego obwodu,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) obliczyć wartość rezystancji w obwodach prądu stałego i zmiennego

jednofazowego na podstawie prawa Ohma?

2) zastosować prawo Ohma do obliczenia wartości spadków napięcia

i prądów w obwodach prądu stałego?

3) zastosować prawo Ohma do obliczenia wartości skutecznych spadków

napięcia i prądów w obwodach prądu zmiennego jednofazowego?

4) zaznaczyć kierunek prądu w obwodzie prądu stałego?

5) zaznaczyć kierunki spadków napięcia na elementach w obwodzie prądu

stałego?

6) zapisać równanie I prawa Kirchhoffa dla węzła obwodu elektrycznego?

7) wyjaśnić II prawo Kirchhoffa?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Pomiary wielkości elektrycznych

4.4.1. Materiał nauczania

Podstawowe metody pomiarowe w obwodach elektrycznych

Metoda pomiarowa określa sposób wykonania pomiaru. Pomiary wielkości elektrycznych

moŜna wykonywać metodami bezpośrednimi lub pośrednimi.

W metodach 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 metodach pośrednich wykonuje się pomiary innych wielkości elektrycznych niŜ

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

Pomiary napięcia i prądu

Podstawowe wielkości elektryczne mierzone w układach elektrycznych to napięcie

elektryczne i prąd (rys. 11).

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

do tego fragmentu lub elementu obwodu, na którym chcemy zmierzyć napięcie. Woltomierz
posiada bardzo duŜą rezystancję wewnętrzną (jej wartość zaleŜny od zakresu pomiarowego).
Rezystancja wewnętrzna idealnego woltomierza dąŜy do nieskończoności.

Rys. 11. a) Schemat układu do pomiaru napięcia na rezystorze R

, b) Schemat układu do pomiaru prądu

Pomiaru prądu 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 zaleŜy od zakresu pomiarowego).
Rezystancja wewnętrzna idealnego amperomierza wynosi 0

Ω

W obwodach prądu stałego, jednofazowego zmiennego i trójfazowego pomiarów

napięcia i prądu dokonuje się w ten sam sposób.

Pomiar rezystancji

Rys. 12. Schemat układu do pomiaru rezystancji omomierzem

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Pomiaru rezystancji (rys. 12) elementów elektrycznych wykonuje się omomierzem

w sposób przedstawiony na rysunku 13. NaleŜy pamiętać, Ŝe element, którego rezystancję
mierzymy tą metodą nie moŜe być włączony w obwód elektryczny, ani zasilony.

Powszechnie uŜywane obecnie są mierniki uniwersalne

−

mogą one pracować jako

amperomierze,  woltomierze  czy  omomierze.  Posiadają  one  kilka  gniazd  odpowiednio
opisanych  oraz  pokrętło  lub  panel  przycisków,  które  umoŜliwiają  wybór  trybu  pracy
przyrządu,  czyli  rodzaj  mierzonej  wielkości  elektrycznej  i  zakres  pomiarowy  (maksymalną
wartość  wielkości  mierzonej).  Niektóre  nowoczesne  mierniki  uniwersalne  mają  równieŜ
dodatkowe funkcje umoŜliwiające pomiar pojemności i parametrów tranzystora bipolarnego.

Rys. 13. Miernik uniwersalny [12]

Pomiar mocy

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

zmiennego jednofazowego moŜna dokonać metodą bezpośrednią za pomocą watomierza
lub w sposób pośredni metodą techniczną poprzez pomiar spadku napięcia i prądu, czyli
z wykorzystaniem amperomierza i woltomierza (rys. 14 i 15).

Watomierz posiada cztery końcówki: dwie oznaczone symbolem V, które włącza

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

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

W metodzie technicznej wartość mocy oblicza się na podstawie zaleŜności:

−

dla prądu stałego:

⋅

−

dla prądu przemiennego:

cos

⋅

, dla odbiorników rezystancyjnych

cos

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

gdzie:

U – wartość napięcia zmierzonego woltomierzem,
I – wartość prądu zmierzonego amperomierzem.

Rys. 15. Układy do pomiaru mocy czynnej metodą techniczną i bezpośrednią w obwodzie prądu zmiennego

jednofazowego

4.4.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie znasz metody pomiarowe stosowane w obwodach elektrycznych?
2.  Jaki miernik słuŜy do pomiaru napięcia?
3.  Jaki miernik słuŜy do pomiaru prądu?
4.  Jakie znasz metody pomiaru rezystancji?
5.  Jaki miernik słuŜy do pomiaru rezystancji?
6.  Czym charakteryzuje się miernik uniwersalny?
7.  Jakie znasz metody pomiaru mocy?
8.  Jaki miernik słuŜy do pomiaru mocy?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj pomiary rezystancji za pomocą miernika uniwersalnego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  narysować schemat pomiarowy,
2)  zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
3)  zapisać oznaczenia wybranych przyrządów,
4)  wybrać tryb pracy miernika,
5)  wykonać pomiary rezystancji wybranych elementów,
6)  zapisać wyniki pomiarów,
7)  porównać zmierzone wartości z wartościami podanymi przez producenta rezystorów,
8)  oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski,
9)  sporządzić sprawozdanie z ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

rezystory: R = 1 k

Ω

, R = 1,8 k

Ω

, R = 2,2 k

Ω

, R = 820

Ω

, R = 1,5 k

Ω

–

miernik uniwersalny cyfrowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Wykonaj pomiary prądu stałego.

Rysunek do ćwiczenia 2. Schemat układu do pomiaru prądu stałego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne zapisując ich oznaczenia,
2)  wybrać odpowiedni tryb pracy miernika,
3)  połączyć układ pomiarowy,
4)  wykonać pomiar prądu,
5)  sformułować wnioski,
6)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

rezystory: R = 1 k

Ω

/1 W, R = 1,8 k

Ω

/1 W, R = 2,2 k

Ω

/ 1 W,

–

zasilacz +15 V,

–

miernik uniwersalny cyfrowy.

–

zasilacz stabilizowany napięcia stałego +5 V,

–

2 mierniki uniwersalne.

Ćwiczenie 3

Wykonaj pomiary mocy prądu stałego.

Rysunek do ćwiczenia 3. Schemat układu do pomiaru mocy prądu stałego

Tabela do ćwiczenia 3. Tabela obliczeń i wyników pomiarów

U [V]

I [mA]

P [W]

Wskazanie

watomierza [W]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne zapisując ich oznaczenia,
2) połączyć układ pomiarowy,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3)  wykonać pomiary prądów, napięć i mocy zmieniając wartość napięcia od 0 do 10 V co 2 V,
4)  zapisać wyniki w tabeli wyników pomiarów,
5)  obliczyć  wartość  mocy  na  podstawie  wskazań  woltomierza  i  amperomierza,  korzystając

ze wzoru:

⋅

6)  porównać obliczone wartości mocy ze wskazaniami watomierza,
7)  oszacować dokładność pomiarów, sformułować wnioski,
8)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

zasilacz stabilizowany regulowany w zakresie 0–15 V,

–

multimetr cyfrowy i analogowy,

–

watomierz,

–

rezystor R = 100

Ω

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) dobrać miernik do pomiaru określonej wielkości elektrycznej?

2) wybrać tryb pracy miernika uniwersalnego do pomiaru określonej

wielkości elektrycznej?

3) dokonać pomiaru napięcia?

4) dokonać pomiaru prądu?

5) dokonać pomiaru rezystancji?

6) dokonać pomiaru mocy prądu stałego metodą techniczną?

7) dokonać pomiaru mocy czynnej zmiennego prądu jednofazowego za

pomocą watomierza?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Transformator

4.5.1. Materiał nauczania

Transformator

Rys. 16. Schemat elektryczny transformatora [12]

Transformator jest urządzeniem elektroenergetycznym, w którym następuje przekazanie

energii  elektrycznej  z  jednego  obwodu  do  drugiego,  za  pośrednictwem  pola
elektromagnetycznego. Zbudowany jest zazwyczaj z dwóch uzwojeń. Uzwojenie, do którego,
doprowadzany  jest  sygnał  nosi  nazwę  pierwotnego,  natomiast  uzwojenie,  do  którego
podłączony  jest  odbiornik  nazywa  się  uzwojeniem  wtórnym.  JeŜeli  przez  uzwojenie
pierwotne  przepływa  zmienny  prąd  elektryczny,  wokół  niego  wytwarza  się  zmienne  pole
elektromagnetyczne, które oddziałuje na uzwojenie wtórne, wskutek czego w uzwojeniu tym
indukuje się napięcie elektryczne, a jeśli jego obwód zamkniemy, popłynie w nim prąd.

Ze względu na budowę rozróŜniamy transformatory z rdzeniem ferromagnetycznym

i transformatory powietrzne. Te pierwsze mają uzwojenia transformatora nawinięte na rdzeniu
wykonanym z blach elektrotechnicznych odizolowanych od siebie lakierem, warstwą tlenków
lub specjalną izolacją. Poziome elementy rdzenia nazywamy jarzmem, a pionowe kolumnami.
Rdzeń słuŜy do przewodzenia strumienia magnetycznego. Transformatory powietrzne zaś nie
posiadają rdzenia lub jest on wykonany z materiału nie wykazującego właściwości
magnetycznych.

Zadaniem transformatora jest zmiana wartości zmiennego napięcia elektrycznego,

o której decyduje najwaŜniejszy parametr przekładnia zwojowa. Przekładnia zwojowa
transformatora to stosunek liczby zwojów uzwojenia pierwotnego N

do liczby zwojów

uzwojenia wtórnego N

gdzie:

n – przekładnia zwojowa,
N

– liczba zwojów uzwojenia pierwotnego,

– liczba zwojów uzwojenia wtórnego.

Transformatory mogą być równieŜ stosowane w celu oddzielenia (czyli separacji

odbiornika) obwodów dla prądu przemiennego lub dopasowania obwodów elektrycznych
prądu zmiennego.

Podstawowe

parametry

transformatorów

podawane w katalogach elementów

elektronicznych to:

−

napięcie znamionowe strony pierwotnej i wtórnej,

−

prądy znamionowe strony pierwotnej i wtórnej,

−

grupa połączeń (dla transformatorów trójfazowych),

−

przekładnia napięciowa,

−

moc pozorna,

−

sprawność,

−

wymiary geometryczne i masa.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Stany pracy transformatora

Transformator moŜe pracować w trzech stanach pracy:

−

w stanie obciąŜenia,

−

w stanie jałowym,

−

w stanie zwarcia.
Podstawowy stan pracy transformatora to stan obciąŜenia. Wówczas uzwojenie pierwotne

jest zasilane napięciem znamionowym, a w obwód wtórny jest włączony odbiornik. W stanie
obciąŜenia transformatora w obu uzwojeniach płyną prądy.

W stanie jałowym uzwojenie pierwotne jest zasilane napięciem znamionowym,

a uzwojenie wtórne jest rozwarte. Prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym, zwany prądem
jałowym, jest bardzo mały

−

w transformatorach mocy stanowi około 1…10% prądu

znamionowego.

W stanie zwarcia do uzwojenia pierwotnego transformatora jest doprowadzone napięcie

zasilające, a uzwojenie wtórne jest zwarte, zatem napięcie na zaciskach tego uzwojenia
jest równe zero. Prąd płynący w uzwojeniach transformatora jest wówczas od kilku
do kilkudziesięciu razy większy od prądu znamionowego.

Stan zwarcia jest niebezpieczny dla transformatorów, poniewaŜ całkowita moc pobrana

przez transformator wydziela się w postaci ciepła, co powoduje wzrost temperatury uzwojeń,
a w konsekwencji uszkodzenie transformatora.

Zwarcie występujące przy pełnym napięciu zasilającym nazywamy zwarciem

awaryjnym.

Podstawowe zastosowanie transformatorów

Transformator jest podstawowym elementem zasilaczy sieciowych i przetwornic

transformatorowych. Produkowanych jest równieŜ szereg transformatorów specjalnych,
z których najpopularniejsze to:

−

autotransformatory

−

posiadają tylko jedno uzwojenie (część uzwojenia jest wspólna

zarówno dla pierwotnego jak i wtórnego napięcia),

−

transformatory trójuzwojeniowe

−

posiadają po trzy uzwojenia na kaŜdej kolumnie,

są stosowane w energetyce,

−

przekładniki prądowe i napięciowe

−

stosowane w celu obniŜenia wartości napięcia

lub prądu dla dokonania pomiarów lub dla galwanicznego oddzielenia obwodu
pomiarowego od sieci wysokiego napięcia,

−

transformatory spawalnicze,

−

transformatory wielkiej częstotliwości

−

stosowane w sprzęcie elektronicznym.

4.5.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Do czego słuŜy transformator?
2.  Jak zbudowany jest transformator?
3.  Czym  róŜni  się  transformator  z  rdzeniem  ferromagnetycznym  od  transformatora

powietrznego?

4.  Jakie znasz stany pracy transformatora?
5.  Który ze stanów pracy transformatora jest niebezpieczny i dlaczego?
6.  Jakie znasz typy transformatorów specjalnych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Odszukaj, na elektrycznym schemacie ideowym, symbol transformatora. Określ, na

podstawie dokumentacji technicznej, parametry wykorzystanego transformatora.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  dokonać analizy dokumentacji technicznej,
2)  odszukać elektryczny schemat ideowy,
3)  przeanalizować odszukany schemat,
4)  rozpoznać na schemacie ideowym symbol transformatora,
5)  określ na podstawie dokumentacji technicznej parametry wykorzystanego transformatora,
6)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna urządzenia elektronicznego,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Oblicz przekładnię zwojową transformatora wiedząc, Ŝe uzwojenie pierwotne ma 160

zwojów, natomiast uzwojenie wtórne 20 zwojów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  napisać wzór określający przekładnię zwojową transformatora,
2)  wykonać obliczenia,
3)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

kalkulator,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) rozróŜnić elementy budowy transformatora?

2) wyjaśnić zasadę działania transformatora?

3) rozpoznać symbol transformatora na elektrycznym schemacie ideowym?

4) określić, na podstawie katalogu elementów elektronicznych, parametry

danego transformatora?

5) scharakteryzować zastosowanie określonego typu transformatora?

6) obliczyć przekładnię zwojowa transformatora?

7) scharakteryzować stany pracy transformatora?

8) wyjaśnić, dlaczego stan zwarcia jest niebezpieczny?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6. Silniki prądu stałego. Silniki indukcyjne

4.6.1. Materiał nauczania

Silnik prądu stałego

Silnik to maszyna elektryczna zamieniająca energię elektryczną na mechaniczną. Zasadę

działania  silnika  prądu  stałego  najprościej  wyjaśnić  na  jego  modelu  zbudowanym  z  dwóch
magnesów  zwróconych do siebie biegunami róŜnoimiennymi, tak aby między nimi powstało
pole  magnetyczne  (rys.  17).  Pomiędzy  magnesami  znajduje  się  ramka  wykonana
z przewodnika  elektrycznego  podłączona  do  źródła  prądu  stałego  poprzez  komutator,  który
słuŜy do zmiany kierunku prąduh ślizgające się po nim szczotki. Przewodnik zawieszony jest
na  osi,  aby mógł  się  swobodnie  obracać.  Na  przewodnik  ramki,  w  którym  płynie  prąd
elektryczny,  działają  siły  oddziaływania  prądu  i pola  magnetycznego.  Ramka  wychyla  się
z połoŜenia  poziomego,  obracając  się  wokół  osi.  W  wyniku  swojej  bezwładności  mija
połoŜenie pionowe. Po przejściu połoŜenia pionowego ramki, szczotki znów dotykają styków
na  komutatorze,  ale  prąd  płynie  w przeciwnym  kierunku,  dzięki  czemu  ramka  w dalszym
ciągu jest obracana w tym samym kierunku.

Rys. 17. Model silnika [13]

Wykorzystywane w urządzeniach elektrycznych silniki mają bardziej skomplikowaną

budowę, natomiast podstawowymi elementami ich budowy są (rys. 18):

−

nieruchomy stojan wytwarzający pole magnetyczne,

−

ruchomy wirnik z uzwojeniami twornika,

−

szczotki – doprowadzające prąd do uzwojenia twornika,

−

komutator, czyli pierścień ze stykami – słuŜący do zmiany kierunku prądu.
Zazwyczaj w stojanie do wytworzenia pola magnetycznego wykorzystuje się

elektromagnesy, wirnik posiada wiele zwojów, natomiast komutator jest bardziej
skomplikowany.

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

znajdują się Ŝłobki, w których są uzwojenia twornika, zamykane za pomocą specjalnych
klinów. Zapobiegają one wypadnięciu uzwojenia podczas wirowania.

Stojan, wykonany jest w kształcie wydrąŜonego walca, zwykle, ze względu na stałe pole

magnetyczne, jako Ŝeliwny lub staliwny odlew. Po wewnętrznej stronie stojana umieszczone
są bieguny główne oraz pomocnicze, na których nawinięte są uzwojenia elektromagnesów
(uzwojenia wzbudzenia).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 18. Przekrój silnika prądu stałego [13]

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, co umoŜliwia połączenie

obracającego się uzwojenia wirnika z zasilającym je źródłem prądu stałego.

Komutator wykonany jest w postaci wielu miedzianych wycinków, wzajemnie

odizolowanych. Do kaŜdego z wycinków przyłączony jest jeden koniec uzwojenia wirnika.

Obecnie najczęściej produkuje się komutatorowe silniki prądu stałego (rys. 19).

Rys. 19. Silnik prądu stałego [13]

Opisany powyŜej silnik prądu stałego, nazywany jest obcowzbudnym, stosowany jest

głównie w napędach wymagających regulacji prędkości w szerokim zakresie obrotów.

Ze względu na sposób wytwarzania pola magnetycznego istnieją równieŜ silniki prądu

stałego samowzbudne, które dzielimy na szeregowe, równoległe i szeregowo równoległe.

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

tramwajów, trolejbusów) i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki
samochodów), w napędach dźwigów, wentylatorów, itp. Mogą być, jako jedyne silniki prądu

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

stałego, zasilane równieŜ prądem przemiennym

−

zwane są wówczas silnikami

uniwersalnymi.  Znalazły  one  zastosowanie  w  urządzeniach  wymagających  duŜych  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
duŜych  mocy,  tam  gdzie  występuje  cięŜki  rozruch:  w  urządzeniach  do  obróbki  plastycznej
w napędach  walcarek,  pras,  dźwigów  oraz  w  napędach  okrętowych  mechanizmów
pokładowych.

Silnik indukcyjny

Najczęściej stosowanym w przemyśle oraz w sprzęcie domowym silnikiem elektrycznym

jest silnik indukcyjny, zwany teŜ asynchronicznym. Charakteryzuje się prostą konstrukcją,
a moc

silników

asynchronicznych

przyjmuje

wartości

ułamków

kilowatów

(w mikrosilnikach) do kilku megawatów.

Rys. 20. Przekrój silnika indukcyjnego [13]

Rys. 21. Silnik indukcyjny [13]

Silnik indukcyjny składa się z dwóch zasadniczych części: nieruchomego stojana

i ruchomego wirnika. Na wewnętrznej stronie rdzenia stojana i zewnętrznej stronie rdzenia
wirnika wykonuje się specjalne rowki, zwane Ŝłobkami, w których umieszczane są uzwojenia.
Część rdzenia pomiędzy sąsiednimi rowkami, nazywana jest zębem. śłobki i zęby mogą
posiadać róŜne kształty, zwykle ich liczba w stojanie i wirniku jest róŜna. Pomiędzy stojanem
a wirnikiem znajduje się moŜliwie mała szczelina powietrzna.

Uzwojenie stojana wykonane jest z izolowanego drutu, mocno usztywnione, tak,

aby zmniejszyć prawdopodobieństwo uszkodzenia na skutek drgań mechanicznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ze względu budowę wirnika rozróŜnia się silniki indukcyjne: klatkowe i pierścieniowe,

które obecnie są rzadko stosowane.

W silniku indukcyjnym klatkowym (rys. 22) konstrukcja wirnika wyglądem przypomina

klatkę  o kształcie  walca.  Jego  obwód  elektryczny  jest  wykonany  z  nieizolowanych  prętów,
połączonych po obu stronach pierścieniami zwierającymi. Jest on zawsze zwarty (inna nazwa
tego  silnika  to  silnik  indukcyjny  zwarty)  i  nie  ma  moŜliwości  przyłączania  dodatkowych
elementów.  Klatka  stanowi  wielofazowe  uzwojenie  wirnika,  a  za  liczbę  faz  przyjmuje
się liczbę prętów, z których jest wykonana.

Obwód magnetyczny wirnika wykonany jest w postaci pakietu blach stalowych

z dodatkiem krzemu, wzajemne odizolowanych, złoŜonych jedna na drugą.

Rys. 22. Wirnik silnika klatkowego [13]

Zasada działania silnika klatkowego

Uzwojenia stojana wytwarza wirujące pole magnetyczne obracające się wokół

nieruchomego  wirnika.  Pole  to  przecinania  pręty  klatki  wirnika,  co  powoduje  indukowanie
się w  nich  napięcie  (stąd  nazwa  „silnik  indukcyjny”),  a  w  efekcie  przepływ  prądu.
To zjawisko  wywołuje  poruszanie  się  wirnika.  Na  początku  zwiększa  się  jego  prędkość
obrotowa, a następnie wirnik przestaje przyspieszać i dalej porusza się ze stałą prędkością.

Silnik pierścieniowy na uzwojenie wirnika na stałe połączone zwykle z trzema

pierścieniami  ślizgowymi  (uzwojenie  wirnika  najczęściej  jest  3-fazowe).  Jest  ono  wykonane
podobnie do uzwojenia stojana. Uzwojenia wirnika połączone są z dodatkowymi elementami,
zwiększającymi  rezystancje  kaŜdej  fazy  za  pośrednictwem  przylegających  do  pierścieni
szczotek.  Zmianę  rezystancji  faz  stosuje  się  dla  rozruchu,  hamowania  i  zmiany  prędkości
silnika. Obecnie ze względu na zbyt skomplikowana budowę konstrukcja ta jest raczej rzadko
stosowana.

Rys. 23. Wirnik silnika pierścieniowego [13]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Silniki indukcyjne jednofazowe

Silniki indukcyjne jednofazowe są silnikami małej mocy stosowanymi w róŜnego rodzaju

napędach, w pomocniczych układach elektronicznych i automatyki są to mikrosilniki.

Posiadają one wirnik o uzwojeniu klatkowym i stojan o uzwojeniu jednofazowym.
Mikrosilniki mają inną budowę stojana niŜ silników trójfazowych duŜej mocy. Stosuje

się  tu uzwojenia  skupione  nawinięte  na  biegunach,  a  nie  ułoŜone  w  Ŝłobkach.  Jedno
z uzwojeń  nazywane  jest  głównym  lub  roboczym.  Jest  ono  zasilane  przez  cały  czas  pracy
silnika.  Drugie  z  uzwojeń  nazywa  się  uzwojeniem  pomocniczym  rozruchowym  i  jest
załączone  tylko  w  chwili  rozruchu.  W  obwód  uzwojenia  rozruchowego  (pomocniczego)
włącza się szeregowo impedancje dodatkową – kondensator.

Po dokonaniu rozruchu uzwojenie rozruchowe, przystosowane do pracy krótkotrwałej,

zostaje samoczynnie odłączone przez:

−

wyłącznik odśrodkowy po osiągnięciu przez silnik około 80% prędkości znamionowej,

−

wyłącznik elektromagnetyczny, jeśli w wyniku wzrostu prędkości obrotowej zmaleje
prąd przepływający przez uzwojenie główne.
Zmianę kierunku wirowania silnika uzyskuje się przez zmianę kierunku przepływu prądu

w jednym z uzwojeń.

Zaletą takiego typu silnika jest niska cena, duŜa trwałość, cicha praca. Silniki takie

nie generują zakłóceń radioelektrycznych.

4.6.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie jest podstawowe zadanie silnika elektrycznego?
2.  Z jakich elementów składa się silnik prądu stałego?
3.  Jaką rolę spełnia stojan, a jaką wirnik?
4.  Do czego słuŜy komutator?
5.  Jaki typ silnika prądu stałego stosowany jest w urządzeniach do obróbki plastycznej?
6.  Jak zbudowany jest silnik indukcyjny?
7.  Jak klasyfikujemy silniki indukcyjne?
8.  Jakie są róŜnice w budowie silnika klatkowego i pierścieniowego?
9.  Gdzie mają zastosowanie silniki indukcyjne jednofazowe?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ, na podstawie dokumentacji technicznej urządzenia do obróbki plastycznej, typ

i parametry zastosowanego silnika. Jakie zadanie realizuje silnik w tym urządzeniu?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  określić typ urządzenia do obróbki plastycznej,
2)  przeanalizować dokumentację techniczną,
3)  odszukać w dokumentacji wykaz elementów urządzenia,
4)  określić typ zastosowanego silnika,
5)  określić zadanie jakie realizuje silnik w tym urządzeniu,
6)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna urządzenia do obróbki plastycznej,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

RozróŜnij elementy budowy silnika i scharakteryzuj ich zadania, na podstawie

przedstawionego modelu. Określ typ silnika, jaki przedstawia model.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  dokonać oględzin silnika,
2)  rozróŜnić podstawowe elementy budowy silnika,
3)  scharakteryzować zadania jakie pełnią te elementy,
4)  określić, korzystając z tabliczki znamionowej typ silnika i jego parametry,
5)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

model silnika elektrycznego,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić róŜnice w działaniu silnika prądu stałego i silnika

indukcyjnego?

2) rozróŜnić elementy budowy silników elektrycznych róŜnych typów?

3) określić zadania jakie spełniają poszczególne elementy silnika?

4) opisać zasadę działania silnika prądu stałego?

5) opisać zasadę działania silnika indukcyjnego?

6) wskazać róŜnie w budowie silnika klatkowego i pierścieniowego?

7) określić na podstawie katalogu elementów elektrycznych parametry

danego silnika elektrycznego?

8) podać przykłady zastosowania silników w urządzeniach i maszynach

do obróbki plastycznej?

9) scharakteryzować zastosowanie róŜnych typów silników?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7. Instalacje elektryczne

4.7.1. Materiał nauczania

Instalacja elektryczna to zespół urządzeń słuŜących do doprowadzenia energii

elektrycznej o określonych parametrach do miejsc jej wykorzystania.

Instalacje elektryczne dzielimy na instalacje przemysłowe i mieszkaniowe, do których

naleŜą równieŜ instalacje w biurach, budynkach uŜyteczności publicznej itp.

Ze względu na charakter odbiorników instalacje moŜemy podzielić na: oświetleniowe

i siłowe– zasilające trójfazowe grzejniki i silniki.

Ze względu na czas uŜytkowania instalacje moŜemy 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 słuŜące 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 zaleŜy od: przeznaczenia, potrzeb i załoŜonych wymagań,

natomiast charakteryzuje się:

−

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

−

sposobem uziemienia,

−

sposobem ochrony przeciw poraŜeniowej.

Oznaczenia układów sieciowych

Instalacje elektryczne dzieli się na róŜnego rodzaju układy sieciowe zaleŜnie 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, niezaleŜnie od uziemienia punktu neutralnego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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. 24. Układy sieciowe: a) TN-C, b) TN-S, c) TN-C-S, d) TT, e) IT [8, s. 65]

Osprzęt instalacyjny

Urządzenia stanowiące wyposaŜenie instalacji nazywa się osprzętem instalacyjnym.

W jego skład wchodzą:

−

rury instalacyjne słuŜące do prowadzenia przewodów,

−

elementy konstrukcyjne instalacji prefabrykowanych,

−

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

−

gniazda czyli łączniki wtykowe,

−

odgałęźniki czyli puszki instalacyjne słuŜące dołączenia przewodów instalacyjnych
oraz wykonywania odgałęzień,

−

bezpieczniki, zabezpieczające instalacje przed przeciąŜeniami,

−

oprawy oświetleniowe.

Przemysłowe instalacje elektryczne

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

z elementów prefabrykowanych, które moŜemy podzielić na:

−

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

−

instalacje wiązkowe – przewody w izolacji i powłoce poliwinitowej formuje
się w skupione wiązki i układa na uchwytach, drabinkach i linkach nośnych; stosowane

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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 przemysłowych zakładach przemysłowych.

Instalacje przemysłowe powinny cechować się: moŜliwością przenoszenia duŜych mocy

i zasilania duŜej liczby róŜnorodnych odbiorników oraz przejrzystością i estetyką układu,
a takŜe maksymalnym stopniem prefabrykacji umoŜliwiającym prostą rozbudowę
i modernizację.

W zakładach obróbki plastycznej, ze względu na konieczność zasilania wielu maszyn

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

Zabezpieczenia odbiorników i urządzeń elektrycznych

W celu zabezpieczenia urządzeń i odbiorników stosuje się szereg środków ochrony

przeciwporaŜeniowej.

Uziemienie, zwane inaczej uziomem to przewód łączący określonego punktu urządzenie

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 słuŜy 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  moŜliwe  jest
samoczynne odłączenie zasilania, poprzez szybkie zadziałanie zabezpieczenia elektrycznego.
Zerowanie  moŜe  być  stosowane  w  instalacjach  elektrycznych  o  napięciu  do  500  V,
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

−

Przewód neutralny (N) to przewód elektryczny połączony z punktem neutralnym sieci

elektroenergetycznej, mogący słuŜyć do przesyłania energii elektrycznej.

Przewód ochronny (PE) słuŜy ochronie przed poraŜeniem elektrycznym. Jeśli łączy

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

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

ochronnego PE.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Pomiary sprawdzające w instalacjach elektrycznych

W celu sprawdzenia stanu instalacji przeprowadza się pomiary: rezystancji izolacji

przewodów oraz rezystancji uziemień ochronnych (rys. 25 i 26).

Pomiar rezystancji izolacji przewodów wykonuje się induktorowym miernikiem izolacji

typu IMI (induktorem), czyli megaomomierzem. W obwodach trójfazowych wykonuje się
trzy pomiary kaŜdej fazy względem ziemi (L1

−

N, L2

−

N, L3

−

N) oraz trzy pomiary faz

między sobą (L1

−

L2, L2

−

L3, L1

−

L3). Dla obwodu jednofazowego wykonuje się jeden

pomiar fazy względem ziemi. W czasie pomiarów naleŜy:

−

wyłączyć zasilanie i odłączyć od sieci odbiorniki,

−

wykręcić Ŝarówki w obwodach oświetleniowych,

−

zamknąć łączniki instalacyjne,

−

wykręcić wkładki topikowe z gniazd bezpieczników w celu łatwiejszego połączenia
przewodów induktora.

Rys. 25. Pomiar rezystancji izolacji: 1 – wyłącznik zasilający, 2 – induktor, 3 – bezpiecznik, 4 – wyłącznik

urządzenia odbiorczego, 5 – Ŝarówka, łącznik instalacyjny [8, s. 94]

Rezystancja izolacji powinna wynosić 1000

Ω

na 1 V napięcia znamionowego sieci.

W instalacjach wykonanych w rurach instalacyjnych i z elementów prefabrykowanych 800

Ω

na kaŜdy 1 V napięcia znamionowego sieci, której napięcie międzyprzewodowe
nie przekracza 250 V oraz 500

Ω

na kaŜdy 1 V napięcia znamionowego przy napięciu

międzyprzewodowym nie przekracza 250–1000 V.

Pomiar rezystancji uziemień ochronnych i pomocniczego przedstawia rysunek 26.

Rys. 26. Pomiar rezystancji uziemienia: a) uproszczony schemat pomiarowy, b) sposób przyłączenia:

E – induktor, G – galwanometr, Z – przełącznik zakresów, R – rezystor nastawny, Tr – transformator
izolujący od prądów błądzących, P- prostownik wibracyjny, S1, S2 – sondy pomiarowe [8, s. 194]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Co określamy nazwą instalacji elektrycznej?
2.  Jak dzielimy instalacje ze względu na charakter odbiorników?
3.  Jakie elementy i urządzenia wchodzą w skład instalacji elektrycznej?
4.  Jakie parametry charakteryzują układ instalacji?
5.  Co rozumiesz pod pojęciem osprzętu instalacyjnego?
6.  Jakie rodzaje instalacji elektrycznych stosuje się w przemyśle?
7.  Jakie właściwości powinny cechować instalacje przemysłowe?
8.  Jakie znasz rodzaje uziemień?
9.  Co to jest zerowanie?
10.  Do czego słuŜy przewód ochronno-neutralny?
11.  Jakie pomiary sprawdzają stan instalacji elektrycznej?

4.7.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ, na podstawie dokumentacji technicznej, jaki typ instalacji elektrycznej

zamontowano w sali warsztatowej. Jakie elementy osprzętu instalacyjnego potrafisz
rozpoznać w tym pomieszczeniu?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować dokumentację techniczną,
2)  określić typ instalacji,
3)  dokonać oględzin sali warsztatowej,
4)  rozpoznać elementy osprzętu instalacyjnego wykorzystanego przy montaŜu instalacji,
5)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna instalacji elektrycznej w sali warsztatowej,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Narysuj schemat układu do pomiaru rezystancji izolacji przewodów w obwodzie

trójfazowym. Określ warunki przeprowadzenia tego pomiaru.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  określić jaki przyrząd pomiarowy słuŜy do pomiaru rezystancji izolacji,
2)  określić ilość pomiarów,
3)  narysować  schemat  układu  do  pomiaru  rezystancji  izolacji  przewodów  w  obwodzie

trójfazowym,

4) określić warunki przeprowadzenia pomiaru rezystancji izolacji przewodów w obwodzie

trójfazowym,

5) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić typ instalacji na podstawie rodzaju przyłączonych odbiorników?

2) rozróŜnić podstawowe elementy instalacji elektrycznej?

3) określić na podstawie oznaczenia układu sieciowego zastosowany

sposób uziemienia?

4) rozróŜnić elementy osprzętu instalacyjnego?

5) sklasyfikować przemysłowej instalacje elektryczne ze względu na ich

konstrukcje?

6) scharakteryzować

typowe

instalacje

elektryczne

stosowane

w zakładach obróbki plastycznej?

7) scharakteryzować

podstawowe

zabezpieczenia

odbiorników

i urządzeń elektrycznych?

8) rozróŜnić: uziemienie ochronne, uziom, przewód uziemiający i zerowanie?

9) wykonać pomiar rezystancji izolacji?

10) wykonać pomiar rezystancji uziemienia?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8. Technika oświetleniowa. Urządzenia grzewcze

4.8.1. Materiał nauczania

Technika oświetleniowa

wiatło jest promieniowaniem elektromagnetycznym, rozchodzącym się ze źródła falami

sferycznymi w powietrzu i próŜni z prędkością około 300000 km/s. Źródło światłą moŜe
być naturalne np. gwiazdy lub sztuczne np. lampy elektryczne.

W celach oświetleniowych stosuje się lampy elektryczne, które moŜna podzielić ze

względu na sposób wytwarzania światła na:

−

arowe (Ŝarówki),

−

wyładowcze (świetlówki, rtęciówki, lampy sodowe ksenonowe, wysokonapięciowe rury
jarzeniowe i inne),

−

arowo-wyładowcze (lampy rtęciowo-Ŝarowe).

śarówki

wiatło w Ŝarówce (rys. 27) emituje Ŝarnik, rozgrzany do wysokiej temperatury

przepływającym  przez  niego  prądem.  śarnik  wykonany  jest  z  trudno  topliwych  skrętek
wolframowych  i umieszczony  w  bańce  wypełnionej  gazem  obojętnym,  który  odprowadzając
ciepło ogranicza parowanie wolframu. śarówki o mniejszych mocach w bańce szklanej mają
próŜnię.  Ponadto  Ŝarówka  wyposaŜona  jest  w  trzonek  umoŜliwiający  jej  zamocowanie.
Najpopularniejsze są trzonki gwintowe, prócz nich stosuje się trzonki bagnetowe do Ŝarówek
w projektorach i urządzeniach naraŜonych na wstrząsy oraz trzonki telefoniczne i specjalne.

Rys. 27. Budowa Ŝarówki: 1 – trzonek, 2 – podpórki, 3 – Ŝarnik, 4 – podpórki, 5 – perełka, 6 – doprowadzenie

prądu, 7 – odwiewka, 8 – płaszcz, 9 – rurka pompowa [8, s. 125]

Podstawowymi parametrami Ŝarówki są: napięcie, moc i prąd. śarówki stosowane

oświetleniowych instalacjach oświetleniowych mieszkań, biur i pomieszczeń o podobnym
przeznaczeniu produkowane są na napięcie 230 V. Spotyka się równieŜ typy Ŝarówek
wykonywanych na róŜne inne napięcia, ze względu na ich przeznaczenie:

−

do latarek kieszonkowych: 2,5; 3,5 V,

−

samochodowe: 6; 12; 24 V,

−

do taboru kolejowego: 24; 32; 50; 54 V,

−

samolotowe: 28 V,

−

do górniczych lamp akumulatorowych: 2,5; 3,75 V.
ś

arówki halogenowe mają konstrukcję podobną do tradycyjnej Ŝarówki, z tą róŜnicą,

e stosuje się w nich halogenki, czyli jod, chrom, brom i fluor, które powodują

samoregenerację zuŜywającego się Ŝarnika. W celu zapewnienia odpowiednich warunków

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

dla tego procesu naleŜy utrzymywać w bańce Ŝarówki bardzo wysoka temperaturę, rzędu
250

C, co determinuje małe wymiary Ŝarówek halogenowych. Tego typu źródła światła

są obecnie powszechnie stosowane w pomieszczeniach: mieszkalnych, biurowych,
sportowych, uŜyteczności publicznej oraz przemysłowych.

Lampy fluoroscencyjne (świetlówki)

wietlówka składa się ze (rys. 28):

−

szklanej, prostej lub zagiętej rury zakończonej jednakowymi trzonkami, wewnątrz
powleczonej luminoforem, którego barwa decyduje o kolorze emitowanego przez
ś

wietlówkę światła, rura wypełniona jest argonem z kropelkami rtęci,

−

wykonanych z wolframowej skrętki powleczonej substancją emitująca elektrony elektrod
wbudowanych po obu jej końcach.
Do zapłonu świetlówki potrzebne są:

−

statecznik czyli dławik – słuŜący do wytworzenia fali przepięciowej w czasie zapłonu
oraz ograniczenia prądu wyładowania w świetlówce podczas jej świecenia,

−

zapłonnik

−

słuŜący do zaświecenia rury o podgrzanej w czasie zapłonu katodzie.

wietlówki kompaktowe mają nowoczesną konstrukcje z wbudowanym zapłonnikiem,

a czasem  teŜ  statecznikiem.  Świetlówki  charakteryzują  się:  duŜą  skutecznością  świetlną
i trwałością,  pięciokrotnie  mniejszym  zuŜyciem  energii  od  Ŝarówek,  a  takŜe  małą
jaskrawością wytworzonego światła.

Rys. 28. Budowa świetlówki: 1 – rura szklana, 2 – trzonek, 3 – styk, 4 – elektroda, 5 – luminofor [8, s. 125]

Lampy rtęciowe

Rys. 29. Budowa i schemat podłączenia lampy rtęciowej: 1 – bańka zewnętrzna, 2 – elektrody główne,

3 – rezystor, 4 – elektroda pomocnicza, 5 – jarznik zargonem, 6 – kropla rtęci [7, s. 131]

Lampy rtęciowe są lampami wyładowczymi o wyładowaniu łukowym (rys. 29).

Zbudowane są z bańki wykonanej ze szkła matowego lub przezroczystego z azotem, w której
umieszczony  jest  jarznik.  Wykonany  on  jest  ze  szkła  kwarcowego  w  formie  rurki
z wtopionymi na końcach elektrodami wolframowymi, wypełniony jest argonem i kropelkami
rtęci.  Do  zaświecenia  słuŜy  elektroda  zapłonowa  (pomocnicza),  umieszczona  w  pobliŜu
jednej  z  elektrod  głównych,  połączona  z  drugą  elektrodą  główną  poprzez  rezystor.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyładowanie  łukowe  następuje  po  włączeniu  lampy  do  sieci,  gdy  między  elektrodą
pomocniczą  a  sąsiednią  elektroda  główną  wytwarza  się  pole  elektryczne  oddziaływujące
na argon.  Zjawisko  to  podnosi  temperaturę  wewnątrz  jarznika  i  powoduje  parowanie  rtęci,
które  prowadzi  do  wyładowania  pomiędzy  elektrodami  głównymi  (natomiast  wyładowanie
zapłonowe  gaśnie).  W lampach rtęciowych podobnie jak w świetlówkach podczas świecenia
istnieje  konieczność  ograniczenia  prądu  wyładowania,  dlatego  przy  ich  podłączeniu  do  sieci
stosuje się statecznik.

Lampy rtęciowe mogą być stosowane do oświetlenia zewnętrznego, jak i wewnętrznego

w bardzo wysokich pomieszczeniach typu hale dworcowe czy sportowe. W halach
przemysłowych takie oświetlenie moŜe być stosowane dopiero na wysokości powyŜej 4 m.

Lampy rtęciowo-Ŝarowe mają podobną konstrukcję, nie wymagają jednak zastosowania

statecznika,  poniewaŜ  jego  funkcję  spełnia  rezystor  wykonany  ze  skrętki  wolframowej,
umieszczony  w  bańce  zewnętrznej  i  połączony  z  jedną  z  elektrod  głównych.  Zaletą  lamp
rtęciowo-Ŝarowych  jest  wytwarzanie  przyjemnego  dla  oka  ludzkiego  światła  jednak
ich skuteczność świetlna jest dwukrotnie mniejsza niŜ lamp rtęciowych.

Lampy rtęciowe – halogenowe w jarzniku prócz rtęci mają halogen. Do ich zaświecenia

jest konieczny elektroniczny zapłonnik. Lampy emitują mają światło o przyjemnej dla oka
barwie, niestety ich trwałość w porównaniu z rtęciówkami jest znacznie mniejsza.

WysokopręŜne lampy sodowe działają na podobnej zasadzie do rtęciówek. Zasadniczą

ich częścią jest ceramiczny jarznik w kształcie rurki wypełniony parą sodu i rtęci z dodatkiem
gazu obojętnego. Lampy tego typu emitują światło o przewadze barwy Ŝółtej, cechują się
duŜą skutecznością i trwałością. Stosowane są w miejscach, gdzie waŜne jest duŜe natęŜenie
oświetlenia, natomiast jego barwa nie odgrywa roli – w zakładach przemysłowych, równieŜ
obróbki plastycznej.

Oprawy oświetleniowe

ródła światła umieszczane są w specjalnych oprawach oświetleniowych, które słuŜą:

−

umocowaniu źródła światła,

−

przyłączeniu go do instalacji elektrycznej,

−

odpowiedniemu skierowaniu strumienia światła,

−

ochronie oczu przed olśnieniem,

−

ochronie źródła światła przed szkodliwymi czynnikami zewnętrznymi,

−

uzyskaniu efektu dekoracyjnego.

Oprawy oświetleniowe moŜna podzielić ze względu na sposób mocowania na: stałe,

przenośne i nastawne, natomiast ze względu na zastosowanie na: przemysłowe, zewnętrzne,
do pomieszczeń uŜyteczności publicznej, projektory oświetleniowe i oprawy specjalne.

Ze względu na rozsyłanie strumienia świetlnego oprawy dzielimy na pięć klas:

−

klasy I kierują cały strumień w dół – stosowane są do oświetlenia miejscowego w duŜych
halach,

−

klasy II i III stosowane są w pomieszczeniach niŜszych o średnio jasnych sufitach
i ścianach np. sklepach, biurach,

−

klasy IV i V dają światło w przewaŜającej części odbite od sufitu, stosowane
są w pomieszczeniach niskich o jasnych sufitach i ścianach i ścianach, np.: mieszkaniach
i hotelach.
Oprawy oświetleniowe do wnętrz publicznych prócz funkcji oświetleniowych spełniają

równieŜ dekoracyjne. Wykonane są w I i II klasie, najczęściej są to: plafonierki i oprawy
zawieszkowe do Ŝarówek, oprawy świetlówkowe do sufitu.

Oprawy oświetleniowe zewnętrzne dla oświetlenia Ŝarowego są wykonane ze stopu

aluminium formowanego pod ciśnieniem i posiadają ochronną siatkę z ocynkowanego drutu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Oprawy przemysłowe dzielimy na trzy grupy: zwykłe, odporne na wodę lub pył

i przeciwwybuchowe. Oprawy zwykłe to stosowane do:

−

arówek: warsztatowe (oświetlające miejscowo stanowisko pracy), zawieszkowe, ścienne

i sufitowe (oświetlające pomieszczenia zamknięte o przeciętnej wilgotności i zapyleniu),

−

wietlówek

−

w pomieszczeniach przemysłowych o średniej wilgotności i zapyleniu,

−

lamp wyładowczych wysokopręŜnych – w miejscach naraŜonych na opady deszczu.
Oprawy odporne na wodę lub pył stosowane są w pomieszczeniach:

−

zamkniętych

−

kroploodporne,

−

o zwiększonej wilgotności

−

bryzgoodporne,

−

przemysłowych, w których istnieje moŜliwość działania strumienia wody –
strugoodporne,

−

w których moŜliwe jest duŜe zapylenie – pyłoszczelne.
W pomieszczeniach zagroŜonych wybuchem pary, pyłu węglowego lub gazów stosuje

się przeciwwybuchowe oprawy oświetleniowe, wykonane ze stopów aluminium z kloszami
ze szkła hartowanego osłoniętymi siatka z drutu stalowego.

Urządzenia grzewcze

Elektryczne urządzenia grzewcze ze względu na sposób wytwarzania ciepła dzielimy na:

rezystancyjne,

czyli

oporowe,

elektrodowe,

łukowe,

indukcyjne,

pojemnościowe

i promiennikowe.

Piece rezystancyjne

W przemyśle piece rezystancyjne stosowane są do obróbki cieplnej metali

np. do wyŜarzania,  hartowania.  Wykorzystują  ciepło  powstające  podczas  przepływu  prądu
przez  elementy  grzejne  wykonane  z  materiałów  oporowych  stałych,  najczęściej  z  metali
lub specjalnych  stopów  metali  o  duŜej  rezystywności  i  duŜej  trwałości.  Elementy  grzejne
są zasilane  najczęściej  z  sieci  energetycznej  za  pośrednictwem  sterowników  tyrystorowych.
Stosuje się układy zasilania jednofazowe i trójfazowe.

Ze względu na sposób nagrzewania piece rezystancyjne dzielimy na: pośrednie

i bezpośrednie. Najczęściej stosowane są piece pośrednie, które mają zamontowane wewnątrz
elementy grzejne. Ze względu na przebieg procesu nagrzewania dzielimy je na:

−

nieprzelotowe, mające jeden otwór wsadowy, zatem ponowne załadowanie moŜe
się odbyć po zakończeniu całego procesu nagrzewania,

−

przelotowe, mające dwa otwory wejściowy i wylotowy, proces nagrzewania moŜe
odbywać się tu w sposób ciągły.
W piecach bezpośrednich nagrzewania odbywa się po części rezystancyjnie i łukowe.

Rys. 30. Piece rezystancyjne o nagrzewaniu: a) pośrednim, b) bezpośrednim; 1 – element grzejny, 2 – izolująca

obudowa pieca, 3 – wsad, 4 – końcówka elementu grzejnego, 5 – uchwyt, 6 – wsad pełniący funkcje
elementu grzejnego [8, s. 146]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Piece próŜniowe posiadają cylindryczną obudowę próŜniową (o podwójnych ścianach

chłodzonych  wodą),  wewnątrz  której  umieszczona  jest  komora  grzejna  z  izolacją  grafitową
lub  ceramiczną.  Grafitowe  elementy  grzejne  umieszczone  są  symetrycznie  na  wewnętrznej
stronie komory. W piecach tego typu, dzięki próŜni, polepszają się właściwości mechaniczne
materiałów,  zatem  są  one  wykorzystywane  do  obróbki  stali  nierdzewnych,  kwasoodpornych
czy narzędziowych.

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 elektroda 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, wyŜarzaniu, topieniu metali,
hartowaniu stali.

Do topienia metali, w hutach i odlewniach, uŜywa się pieców indukcyjnych zasilanych

prądem częstotliwości 25–60 Hz. Do obróbki cieplnej duŜych elementów stosuje
się częstotliwość od 300 Hz do 3 kHz, natomiast prądy o większej częstotliwości są uŜywane
do lutowania małych elementów, np. do lutowania puszek.

Przedmiot nagrzewany w piecu wielkiej częstotliwości umieszcza się w cewce

indukcyjnej zwanej induktorem lub wzbudnikiem. Induktor jest wykonany z rurki miedzianej,
przez którą przepływa woda chłodząca go. Induktor jest zasilany prądem przemiennym
pobieranym z elektronicznych generatorów wielkiej częstotliwości.

Charakterystyczną cechą nagrzewania indukcyjnego jest to, Ŝe 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 Ŝywności i środków

opatrunkowych, w lecznictwie, do suszenia zboŜa, gotowania i pieczenia Ŝywności,
zgrzewania folii plastikowych, obróbki gumy, a takŜe klejenia i suszenia drewna.

Promienniki wytwarzają promieniowanie cieplne, którego energię pochłania nagrzewane

ciało. Promienniki dzielimy na:

−

lampowe, gdzie źródłem promieniowania jest rozgrzany Ŝarnik; są one produkowane
w postaci Ŝarówek z wewnętrznym odbłyśnikiem lub rur ze szkła kwarcowego,

−

rurkowe wykonane z przewodu grzejnego zatopionego w masie ceramicznej
lub umieszczonego w metalowej rurce w masie izolacyjnej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie znasz typy źródeł światła?
2.  Jaka jest zasada działania Ŝarówki?
3.  W jakim celu stosuje się w Ŝarówkach halogenki?
4.  Czym charakteryzują się świetlówki?
5.  Jak działają lampy rtęciowe?
6.  Jak działają lampy sodowe?
7.  Jak dzielimy oprawy oświetleniowe ze względu na rozsyłanie strumienia świetlnego?
8.  Jakie znasz typy przemysłowych opraw oświetleniowych?
9.  Jakie znasz elektryczne urządzenia grzejne?
10.  Które z elektrycznych urządzeń są stosowane w przemyśle?

4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ typ źródeł światła i opraw oświetleniowych, jakie powinny być zastosowane

w hali produkcyjnej zakładu obróbki plastycznej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  określić wymagania dotyczące oświetlenia procesu obróbki plastycznej,
2)  wybrać z katalogu typ źródeł oświetlenia,
3)  dobrać odpowiednie oprawy oświetleniowe,
4)  uzasadnić dokonany wybór.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

katalogi elementów oświetleniowych,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.8.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować zasadę działania powszechnie stosowanych źródeł

wiatła?

2) określić zastosowanie określonych źródeł oświetlenia?

3) dobrać rodzaj źródeł światła przeznaczonych do zainstalowania w hali

produkcyjnej zakładu obróbki plastycznej?

4) scharakteryzować klasy opraw oświetleniowych?

5) sklasyfikować przemysłowe oprawy oświetleniowe?

6) dobrać oprawę oświetleniową do zastosowania w hali produkcyjnej

zakładu obróbki plastycznej?

7) scharakteryzować zasadę działania pieców rezystancyjnych?

8) określić zastosowanie danego typu urządzenia grzejnego?

9) scharakteryzować nagrzejnictwo promiennikowe?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Podstawy elektroniki

4.9.1. Materiał nauczania

Nowoczesne maszyny i urządzenia stosowane we wszystkich gałęziach przemysłu,

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

Diody półprzewodnikowe

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

działania i przeznaczenie rozróŜnia się wiele rodzajów diod: prostownicze, stabilizacyjne,
impulsowe, pojemnościowe, uniwersalne, fotodiody, diody LED i inne.

Dioda prostownicza

Rys. 31. a) Symbol diody prostowniczej; b) polaryzacja diody prostowniczej w kierunku przewodzenia,

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

W układach elektronicznych dioda prostownicza (rys. 31) wykorzystywana jest przede

wszystkim  do  przekształcania  prądu  zmiennego  w  jednokierunkowy  prąd  pulsujący.
Przewodzi  ona  prąd  w  jednym  kierunku.  JeŜeli  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  zaleŜy  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  duŜych  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  moŜemy  go  pominąć.  W  kierunku  zaporowym  moŜna
puścić  napięcie  zwane  maksymalnym  napięciem  wstecznym,  którego  wartość  podana  jest
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  przyłoŜone  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  (rys.  32a)  stosuje  się  w  układach  stabilizacji  napięć,
w ogranicznikach amplitudy, w układach źródeł napięć odniesienia, itp.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 32. Symbole graficzne a) dioda stabilizacyjna, b) LED [3, s. 49, 450]

Dioda LED

Diody LED (rys. 32b) 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 równieŜ wyświetlacze.

Tranzystory

Obecnie produkowane jest wiele typów tranzystorów przeznaczonych do róŜnych

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

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  rozróŜniamy  tranzystory  bipolarne  typu  PNP  i  NPN.  Tranzystor
bipolarny  moŜna  przedstawić  jako  dwie  diody  przewodzące  prąd  w  kierunku  bazy  (PNP),
albo w kierunku od bazy (NPN) (rys. 33).

Rys. 33. Symbol tranzystora a) PNP, b) NPN [3, s. 62]

Struktura półprzewodnikowa tranzystora umieszczona jest w hermetycznie zamkniętej

obudowie chroniącej przed uszkodzeniami mechanicznymi, ale równieŜ spełniającej inne
funkcje np. w tranzystorach średniej i duŜej mocy umoŜliwia odprowadzanie ciepła.

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

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

Tranzystor bipolarny moŜe równieŜ pracować w stanie nieprzewodzenia, zwanego teŜ

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 duŜego prądu

kolektora, przy minimalnym napięciu pomiędzy kolektorem a emiterem.

Tranzystor unipolarny (polowy)

Rys. 34. Symbol graficzny tranzystora unipolarnego JFET a) z kanałem typu N, b) z kanałem typu P [3, s. 82]

Tranzystor unipolarny (rys. 34) posiada trzy elektrody bramkę (oznaczoną symbolem

G), dren (oznaczony symbolem D) i źródło (oznaczony symbolem S).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tyrystor

Tyrystor (rys. 35a) posiada trzy elektrody: anodę –A, katodę – K i elektrodę sterującą,

czyli bramkę – G. Zwany jest diodą sterowana, poniewaŜ moŜe 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.

Rys. 35. Symbole: a) tyrystora, b) diaka, c) triaka [3, s. 79]

Triak

Triak (rys. 35c) zwany jest teŜ tyrystorem symetrycznym. Posiada trzy elektrody: anodę

oznaczoną symbolem A, katodą oznaczoną symbolem K i bramkę oznaczoną symbolem G.
RóŜni się od tyrystora tym, Ŝe moŜe przewodzić prąd w obu kierunkach.

Diak

Diak (rys. 35b) zwany jest teŜ diodą spustową, przewodzi prąd w dwóch kierunkach. Jest

to triak bez wyprowadzonej bramki. Diaki stosowane są do sterowania triakami.

Elementy optoelektroniczne

Działanie elementów optoelektronicznych (rys. 36) związane jest ze światłem. Do tej

grupy  naleŜą  diody  LED  emitujące  światło  oraz  elementy,  których  właściwości  elektryczne
zmieniają  się pod  wpływem  oświetlenia,  takie  jak:  fotoelementy,  fotorezystory,  fotodiody
i fototranzystory.  Ttransoptory  będące  połączeniem  nadajnika  światła  (diody  LED)
i fotoelementu  równieŜ  zaliczamy  do  grupy  elementów  optoelektronicznych.  Wspólnym
parametrem fotoelementów jest kąt detekcji, czyli kąt, pod jakim padające promienie światłą
oddziałują na nie.

Fotorezystor zmienia swoją rezystancję w zaleŜności od natęŜenia światła. Ze względu na

obciąŜalność dochodzącą nawet do kilku watów umoŜliwiają one nawet bez dodatkowego
wzmocnienia np. bezpośrednie sterowanie przekaźników.

Rys. 36. Symbole elementów optoelektronicznych a) fotorezystora [12], b) fotodiody [3, s. 450],

c) fototranzystora [12]

Fotodioda jest w zasadzie zwykłą diodą spolaryzowaną w kierunku zaporowym, w której

przy oświetleniu wzrasta prąd przepływu. W porównaniu z fototranzystorem ma znacznie
krótszy czas reakcji.

Fototranzystor jest tranzystorem, którego działaniem spowodowane jest oświetleniem

złącze kolektor – baza. Wówczas następuje przepływ prądu bazy, a tym samym wzmocnienie
prądu kolektora. Fototranzystory są wolniejsze niŜ fotodiody.

Transoptor (rys. 37) składa się z nadajnika światła np. diody LED i detektora światła

np. fotodiody lub fototranzystora. Wysterowana prądem wejściowym dioda świecąca
transoptora emituje światło, które oddziałuje na fotoelement przetwarzając je na prąd

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wyjściowy  transoptora.  Przy  pomocy  transoptora  moŜna  przekazywać  sygnały  pomiędzy
obwodami  odizolowanymi  galwanicznie.  Stosowane  są  zazwyczaj  w  zasilaczach
z przetwarzaniem  częstotliwości,  do  przesyłania  sygnałów  analogowych,  w  pętlach
prądowych do przesyłania sygnałów cyfrowych.

Rys. 37. Układy transoptora [3, s. 456]

Podstawowe układy elektroniczne

Prostownik przetwarza napięcie zmienne w napięcie jednokierunkowe tętniące. Do jego

budowy wykorzystuje się elementy przewodzące prąd w jednym kierunku: diody
lub tyrystora.

Prostownik w układzie mostka Graetza

Najpopularniejszym prostownikiem produkowanym w postaci układu scalonego

prostownik dwupołówkowy w układzie mostka Graetza (rys. 38).

Rys. 38. Prostownik dwupołówkowy w układzie mostka Graetza a) schemat,b) wykresy czasowe napięcia

wyjściowego U

oraz prądu wyjściowego I

[3, s. 105]

W czasie dodatniej połówki napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne

transformatora, przez diodę D

, obciąŜenie R i diodę D

, natomiast przy ujemnej połówce

napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne transformatora, przez diodę D

obciąŜenie R

i diodę D

. W obu przypadkach prąd przez obciąŜenie płynie w tym samym

kierunku  i  ma  charakter  pulsujący.  JeŜeli  w  układzie  prostownika  dwupołówkowego
zastosujemy  filtr  w  postaci  kondensatora  C  uzyskamy  znacznie  lepszy  stosunek  czasu
rozładowania  kondensatora  do  czasu  ładowania  niŜ  w  układzie  jednopołówkowym.  Zatem
przy  tym  samym  obciąŜeniu,  czas  rozładowania  kondensatora  w  układzie  mostkowym  jest
znacznie  krótszy  niŜ  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.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wzmacniacze

Rys. 39. Schemat blokowy wzmacniacza [3, s. 144]

Zadaniem wzmacniacza (rys. 39) jest wzmocnienie sygnału przy zachowaniu jego nie

zmienionego  kształtu.  Wzmacniacze  mogą  wzmacniać  sygnały  stałe  (wolnozmienne),  albo
zmienne. NajwaŜniejszym 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 rozróŜniamy wzmacniacze napięciowe, prądowe i mocy.
Wzmacniacz operacyjny (rys. 40) to najbardziej rozpowszechniony analogowy układ

elektroniczny realizowany jako monolityczny układ scalony. Jego sposób działania jest
określony przez dołączone elementy zewnętrzne.

Rys. 40. Symbol wzmacniacza operacyjnego [3, s. 197]

Wzmacniacz operacyjny posiada jedno wyjście i dwa wejścia: odwracające fazę sygnału

wejściowego (oznaczone „–”) i nieodwracające (oznaczone „+”). Wzmacniana jest róŜnica
sygnałów z tych wejść, a wartość tego wzmocnienia jest bardzo duŜa.

Wzmacniacz operacyjny słuŜy do budowy wielu układów wzmacniających, generatorów

i innych.

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.

4.9.2. Spytania sprawdzające

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

1.  Do czego słuŜy dioda prostownicza?
2.  Jaka jest róŜnica w działaniu diody prostowniczej i Zenera?
3.  W jaki sposób działa tyrystor?
4.  Jaka jest róŜnica w działaniu tyrystora i triaka?
5.  Jakie znasz typy tranzystorów?
6.  Jakie wyprowadzenia posiada tranzystor bipolarny?
7.  Jaka jest wspólna cecha elementów optoelektronicznych?
8.  W jakim celu stosuje się transoptory?
9.  Do czego słuŜy prostownik?
10.  Jaki jest podstawowy parametr wzmacniacza?
11.  Jaki układ elektroniczny wytwarza zmienne przebiegi elektryczne?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ parametry triaka w katalogu elementów elektronicznych i rozpoznaj jego końcówki.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  dokonać oględzin otrzymanego triaka,
2)  wybrać odpowiedni katalog elementów elektronicznych,
3)  wyszukać w katalogu kartę danego typu triaka,
4)  określić parametry elementu, a następnie je i zapisać,
5)  zidentyfikować końcówki triaka,
6)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

triak,

–

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) dokonać analizy schematu elektrycznego,
2) odszukać na schemacie symbole: diody prostowniczej, stabilizacyjnej oraz tranzystora

bipolarnego,

3) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

schemat układu elektronicznego,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.9.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wyjaśnić zasadę działania podstawowych elementów elektronicznych?

2) rozróŜnić symbole graficzne podstawowych elementów elektronicznych?

3) scharakteryzować zastosowanie podstawowych elementów elektronicznych?

4) wyjaśnić zasadę działania transoptora?

5) wyjaśnić zasadę działania prostownika?

6) wyjaśnić zasadę działania wzmacniacza operacyjnego?

7) scharakteryzować funkcję wzmacniacza w urządzeniu elektronicznym?

8) scharakteryzować funkcję generatora w urządzeniu elektronicznym?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.10. Układy i elementy automatyki

4.10.1. Materiał nauczania

Powszechnie stosowane jest dziś sterowanie automatyczne, gdzie 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 technologiczne lub maszyny robocze. Sterowanie odbywa się w układzie
otwartym. Sygnały sterujące działają na obiekt bez bieŜących pomiarów i korekcji procesu.

Ze względu na rodzaj sygnałów rozróŜnia się sterowanie: mechaniczne, elektryczne,

pneumatyczne, hydrauliczne.

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

sterowania to część układu, na którą oddziałują sygnały sterownicze.

Rys. 41. Schemat blokowy układu sterowania

Urządzenie sterujące to część układu, która przez człon wykonawczy oddziałuje

na obiekt sterowania. Urządzenie sterujące składa się z (rys. 41):
–

urządzenia wejścia, są to róŜnego rodzaju czujniki, łączniki przyciski elektryczne,

–

członu realizującego funkcje logiczne przetwarzającego sygnały wejściowe według
zadanego programu, wypracowując sygnały sterujące,

–

urządzenia wyjścia, są to człony wykonawcze oddziałujące bezpośrednio na obiekt
sterowania np. przekaźniki, styczniki, tyrystory, zawory hydrauliczne i pneumatyczne.
W układach 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  1  kW
do 500  kW,  zatem  uŜywa  się  je  przede  wszystkim  do  załączania  urządzeń  duŜej  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
zaleŜy od jego wielkości i wynosi od kilku mW do 1 kW. Dlatego słuŜą one do załączania
urządzeń mniejszej mocy.

Urządzenie sterujące wytwarza sygnały sterujące. Sygnałem wejściowym urządzenia

sterującego jest informacja o zadaniu sterowania. Urządzenie sterujące i obiekt stanowią
układ sterowania, który moŜe być otwarty lub zamknięty.

W otwartym układzie sterowania urządzenie sterujące nie otrzymuje zwrotnej informacji

o  aktualnej  wartości  sygnału  sterowanego.  W  układzie  zamkniętym,  występuje  sprzęŜenie
zwrotne,  czyli  przekazanie  informacji  z  wyjścia  układu  na  jego  wejście,  zatem  urządzenie
sterujące  otrzymuje  informację  o  aktualnej  wartości  sygnału  sterowanego,  która  następnie
wpływa na przebieg sterowania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Układy sterowania otwartego występują we wszelkich rodzajach automatów o działaniu

cyklicznym np.: automaty handlowe, oświetleniowe, itp.

Układy automatycznej regulacji

Sterowanie w układzie zamkniętym to regulacja. Układ sterowania nazywamy układem

regulacji  (rys.  42),  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 równieŜ pojawić się zakłócenia, czyli wszelkie inne oddziaływania, na obiekt
utrudniające realizację procesu regulacji.

Charakterystyczne dla wszystkich układów zamkniętych regulacji jest tzw. ujemne

sprzęŜenie  zwrotne  polegające  na  wprowadzeniu  do  regulatora  sygnału  regulowanego.
Podstawowym  pojęciem  z zakresu  układów  regulacji  jest  odchyłka  (uchyb)  regulacji,
oznaczająca  róŜnicę  między  poŜądaną  (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. SprzęŜenie zwrotne jest ujemne, co zaznaczono za pomocą znaku minus na wejściu
układu porównującego.

Rys. 42. Schemat układu regulacji automatycznej jednej zmiennej [4, s. 76]

Elementy układów regulacji

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  złoŜone  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 moŜemy 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.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 43. Schemat blokowy układu regulacji [7, s. 12]

W skład układu regulacji wchodzą (rys. 43):

−

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  ziała  na  obiekt,  tak  aby  róŜnicę  pomiędzy  tymi  wartościami
sprowadzić do zera, regulatora często posiada zadajnik.
Urządzenie wykonawcze składa się z:

−

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

−

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

−

wzmacniacz mocy.

Układy automatycznej sygnalizacji i zabezpieczenia

Układy sygnalizacji mają za zadanie zwrócenie uwagi operatora procesu przemysłowego

na zaistnienie zdarzenia, które są waŜne dla bezpieczeństwa ludzi, trwałości instalacji, jakości
produkcji,  itp.  Układy  sygnalizacji  moŜemy  podzielić  na:  sygnalizację  kontrolno-
wskaźnikową,  ostrzegawczą  i  awaryjną.  Informacja  o  zaistniałym  zdarzeniu  powinna
niezwłocznie być przekazana do operatora w postaci sygnału świetlnego i/lub dźwiękowego.
Dla  ułatwienia  odbioru  sygnałów  świetlnych  jest  przyjęty  sposób  następująca  zasada:  sygnał
ś

wietny wyłączony – bieg prawidłowy, gdy sygnał świetlny znika – naleŜy interweniować.

Powszechnie stosowane automatyczne systemy ochrony zewnętrznej – alarmy

elektroniczne. Rolą systemu alarmowego jest przekazanie informacji o zagroŜeniu tam, gdzie
mogą być podjęte działania interwencyjne.

Podstawowe elementy systemu alarmowego to: centrala, szyfrator i czujki oraz

urządzenia  alarmowe.  Centrala  kieruje  pracą  systemu,  szyfrator  umoŜliwia  sterowanie
centralą  alarmową  oraz  jej programowanie  (moŜe  być  on  zintegrowany  z  centralą  stanowiąc
jedno  urządzenie),  a czujki  mają  za zadanie  wykrywać  i przekazywać  do centrali  sygnały
o zagroŜeniu.  Urządzenia  alarmowe  sygnalizują  zagroŜenie,  są  to  wszelkiego  rodzaju  syreny
alarmowe, migające lampy, itp.

Automatyczne blokady mają na celu uniemoŜliwienie środkami technicznymi uŜycie

urządzenia w warunkach niezgodnych z jego przeznaczeniem, a zagraŜającym samemu
urządzeniu, otoczeniu jak i bezpieczeństwu uŜytkownika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zabezpieczenia automatyczne mają za zadanie chronić instalację lub otoczenie przed

szkodliwymi warunkami eksploatacji zabezpieczanego urządzenia. Najczęściej polega to na
wymuszeniu stanu uznanego za bezpieczny bez moŜliwości samoczynnego wyjścia z tego
stanu po zaniknięciu zagroŜenia (zabezpieczenia przeciwzwarciowe i termiczne).

W celu ochrony przed poraŜeniem prądem elektrycznym stosowane są przekaźniki

przeciwporaŜeniowe róŜnicowoprądowe.

W celu niedopuszczenia do powstania urazów mechanicznych stosuje się układy

uniemoŜliwiające dostęp do ruchomych bądź niebezpiecznych elementów (blokady)
oraz układy wyłączające urządzenia z chwilą otwarcia osłon lub pokryw.

W celu ograniczenia moŜliwości powstania oparzeń stosuje się układy sygnalizujące

występowanie na powierzchni urządzeń wysokiej temperatury.

Układy ograniczające moŜliwość powstania poŜaru mogą wyłączać urządzenia

elektryczne pozostawione bez dozoru. Dla zapewnienia bezpieczeństwa przeciwpoŜarowego
stosuje się układy sygnalizujące występowanie wysokiej temperatury lub obecność dymu
w pomieszczeniach. Układy te mogą być sprzęŜone funkcjonalnie z instalacją gaszącą.

Stosuje się równieŜ układy zabezpieczające przed wypływem z instalacji nie spalonego gazu.
W zakładach przemysłowych, pomieszczeniach uŜyteczności publicznej stosuje

się równieŜ  automatyczne  urządzenia  zasilające.  Ich  celem  jest  dostarczenie  energii
w sytuacjach  awarii  sieci  elektroenergetycznych,  kiedy  to  następuje  ich  automatyczne
załączenie.  Powszechnie  stosowane  są  równieŜ  automatyczne  urządzenia  zasilające
w komputerach tzw. zasilacze UPS.

4.10.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Na czym polega proces sterowania?
2.  Z jakich elementów składa się układ sterowania?
3.  Jaka jest róŜnica między otwartym a zamkniętym układem sterowania?
4.  Jaka jest róŜnica między sterowaniem a regulacją?
5.  Co nazywamy elementami, a co urządzeniami w układach automatyki?
6.  Jak klasyfikujemy elementy i urządzenia automatyki?
7.  Jaką rolę pełni w układzie regulacji urządzenie pomiarowe?
8.  Jakie zadania pełni w układzie regulacji regulator?
9.  Jakie zadania pełni w układzie regulacji urządzenie wykonawcze?
10.  W jakim celu stosowane są automatyczne urządzenia sygnalizacji i zabezpieczenia?
11.  Do czego słuŜą automatyczne urządzenia zasilające?

4.10.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Podaj przykłady układu regulacji stosowanego w znanym Ci urządzeniu elektrycznym

bądź elektronicznym. Określ, jakie układy tego urządzenia spełniają funkcję: urządzenia
pomiarowego, urządzenia wykonawczego, regulatora.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) podać przykład układu regulacji stosowanego w dowolnym urządzeniu elektrycznym lub

elektronicznym,

2) rozróŜnić urządzenie pomiarowe, urządzenie wykonawcze i regulator w tym układzie,
3) uzasadnić przyjęte rozwiązanie,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Określ typy czujników, które zostały zastosowane w układzie sterowania bramą garaŜową.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować dokumentację techniczną,
2)  określić typy zastosowanych czujników,
3)  określić miejsce instalacji czujników,
4)  zaprezentować wyniki swojej pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna bramy garaŜowej,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Określ, jakie automatyczne zabezpieczenia zostały zastosowane w zasilaczu ze stabilizacją

napięcia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować instrukcję zasilacza ze stabilizacją napięcia,
2)  określić rodzaje zabezpieczeń,
3)  zaprezentować wyniki swojej pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

regulowany zasilacz laboratoryjny,

−

instrukcja zasilacza, karta katalogowa,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.10.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) narysować schemat blokowy układu sterowania?

2) określić rodzaj sterowania wykorzystywany w urządzeniu?

3) określić człony składowe urządzenia sterującego?

4) wyjaśnić zadania stycznika i przekaźnika w układach sterowania?

5) narysować schemat blokowy układu regulacji?

6) podać przykłady zastosowania regulacji automatycznej?

7) określić rodzaj regulacji wykorzystywanej w urządzeniu?

8) rozróŜnić w danym układzie sterowania urządzenia wykonawcze

i pomiarowe oraz regulator?

9) scharakteryzować funkcje jakie pełnią w układzie regulacji urządzenia

wykonawcze i pomiarowe oraz regulator?

10) scharakteryzować działanie automatycznych układów zabezpieczeń

i sygnalizacji?

11) określić zastosowanie układów automatycznego zasilania?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.11. Mikroprocesory i sterowniki mikroprocesorowe

4.11.1. Materiał nauczania

Systemy mikroprocesorowe przetwarzają dostarczone do systemu dane, poddając

je określonym  działaniom  i  wytwarzają  wyniki,  którymi  mogą  być  sygnały  sterujące  pracą
maszyn,  obrazy,  teksty  itp.  NajwaŜniejszą  częścią  systemu  jest  procesor,  który  przetwarza
informację,  wykonując  na  niej  elementarne  operacje  zwane  instrukcjami  bądź  rozkazami.
Ciąg  takich  instrukcji,  realizujący  konkretne  zadanie  przetwarzania  informacji,  nazywamy
programem.  Do  systemu  mikroprocesorowego  naleŜy  zatem  dostarczyć  dane  wejściowe,
program lub zestaw programów, aby po przetworzeniu uzyskać wynik.

Typowy system mikroprocesorowy składa się z następujących części:

−

mikroprocesora,

−

pamięci danych RAM,

−

pamięci programu ROM,

−

układów wejścia/wyjścia czyli interfejsów,

−

układów sterujących przepływem informacji między tymi elementami: magistrali danych,
magistrali adresowej i sygnałów sterujących.
Mikroprocesor pełniący funkcję jednostki centralnej zwany CPU umoŜliwia

wykonywanie  operacji  przetwarzania  danych  poprzez  realizację  programu  zapisanego
w pamięci  programu.  Składa  się  z  układu  sterowania  oraz  jednostki  arytmetyczno-logicznej
wraz  z  rejestrami  roboczymi.  Układu  sterowania  pobiera  rozkazy  z  pamięci  programu,
wystawia odpowiednie sygnały sterujące w celu wykonania rozkazów.

Jednostka arytmetyczno-logiczna słuŜy do wykonywania operacji arytmetycznych

lub logicznych na liczbach binarnych czasem dziesiętnych.

Pamięć programu – pamięć nieulotna, przechowuje program w języku maszynowym.

Najczęściej jest wykonywana jako pamięć typu:

−

ROM –programowana przez producenta,

−

PROM – programowana jednorazowo przez uŜytkownika,

−

EPROM, EEPROM – do wielokrotnego programowania przez uŜytkownika.
Pamięć danych słuŜy do przechowywania danych podczas realizacji programu.
Układy

wejścia/wyjścia

–

umoŜliwiają

prawidłową

komunikacje

między

mikroprocesorem  a  otoczeniem  –  urządzeniami  zewnętrznymi.  Zadaniem  układów
wejścia/wyjścia,  zwanych  teŜ  interfejsami,  jest  zapewnienie  odpowiedniej  postaci  danej
oraz dopasowanie  czasowe  wymiany  danej  np.  zapamiętanie  do  czasu,  kiedy  odbierze
ją urządzenie  zewnętrzne.  Układy  wejścia/wyjścia  są  dołączane  do  jednostki  centralnej
za pośrednictwem magistral (podobnie jak pamięć danych).

Magistrala danych – zespół linii, którymi przesyłane są dane, kody rozkazów, słowa

sterujące i statusowe w postaci liczb binarnych.

Magistrala adresowa – zespół linii, którymi procesor adresuje poszczególne komórki

pamięci programu, danych lub rejestry układów wejścia/wyjścia.

Magistrala sterująca – zespół linii, którymi wymieniane są sygnały sterujące.

Sterowniki mikroprocesorowe i zastosowaniach przemysłowych

Systemy mikroprocesorowe mają szerokie zastosowanie w układach automatyki

przemysłowej.  Przede  wszystkim  wszelkiego  rodzaju  maszyny  oraz  całe  linie  produkcyjne
sterowane są za pomocą sterowników mikroprocesorowych. Za ich pośrednictwem ustawiane
są  parametry  procesu  przemysłowego  określające  warunki  i  sposób  wykonania  wyrobu,
a w konsekwencji  jego  parametry,  jakość  i  właściwości.  Sterowniki  „zbierają”  informacje

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

z wszelkiego rodzaju czujników pomiarowych, aparatury pomiarowej i na ich podstawie
wypracowują sygnału sterujące dla urządzeń wykonawczych.

Powszechnie w systemach automatyki przemysłowej stosowane są uniwersalne

sterowniki programowalne PLC (ang. Programmable Logic Controller), które mogą być
wykonane w postaci kompaktowej lub modułowej, pozwalającej na modernizację
z rozszerzeniem moŜliwości urządzenia (rys. 44).

Sterownik PLC zbudowany jest podobnie jak komputer z: układu zasilania napięciowego

(zasilacza),  modułu  sygnałów  wejściowych,  jednostki  centralnej  z  mikroprocesorem  (CPU),
bloku  pamięci,  modułu  sygnałów  wyjściowych.  Układ  zasilania  napięciowego  to  zazwyczaj
zasilacz napięcia stałego +24 V.

Rys. 44. Schemat blokowy sterownika PLC [11, s. 168]

Blok pamięci zawiera następujące obszary połączone wewnętrzną magistralą sterownika:

–

pamięć danych typu RAM lub EPROM, przechowuje dane i instrukcje programu
uŜytkownika, moŜe być rozszerzana za pomocą dodatkowych kart lub modułów,

–

pamięć robocza szybka pamięć typu RAM, w trakcie przetwarzania programu przez
uŜytkownika kopiowane są do niej dane,

–

pamięć systemowa zawiera zmienne na których wykonywane są operacje programu.
Moduł sygnałów wejściowych zawiera układy elektroniczne zamieniające sygnały

pochodzące  z  urządzeń  zewnętrznych  na  sygnały  logiczne  akceptowane  przez  sterownik.
Układy stosowane w tym module to: dzielniki napięcia, filtry RC tłumiące zakłócenia, diody
chroniące,  układy  prostownicze,  transoptory  izolujące  obwody  wejściowe  i  magistralę
sterownika.  Sterowniki  zawierają  zazwyczaj  moduły  8,  16,  lub  32  wejść  binarnych,  które
są multipleksowane. Ich stan sygnalizowany jest diodą LED.

Moduł sygnałów wejściowych zawierają zazwyczaj moduły 8, 16, lub 32 wyjść

binarnych trzech rodzajów:
–

wyjścia przekaźnikowe zapewniające całkowitą separację galwaniczną wewnętrznych
układów sterownika i obwodów wejściowych,

–

wyjścia z triakami stosowane dla zasilania odbiorników prądu przemiennego,

–

wyjścia tranzystorowe stosowane dla zasilania odbiorników napięcia stałego.
Dla obsługi skomplikowanych procesów przemysłowych zazwyczaj nie wystarczy jeden

sterownik.  Poszczególne  jednostki  produkcyjne  są  wówczas  sterowane  poprzez  sterowniki
lokalne,  podrzędne  (Slave),  połączone  przy  pomocy  sieci,  np.  PROFIBUS–DP
ze sterownikiem  nadrzędnym  (Master),  który  zarządza  całym  systemem.  Do magistrali moŜe
być  podłączonych  wiele  innych  urządzeń  jak  np.  stacje  i  panele  operatorskie,  inne  sieci
np. pozwalające na współpracę z urządzeniami pomiarowymi i wykonawczymi (rys. 45).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.11.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe.

Zdanie

prawda

fałsz

Układy wejścia /wyjścia słuŜą do przechowywania danych.

Magistrala sterująca słuŜy do przesyłania kodów rozkazów.

Moduł sygnałów wejściowych zawiera układy elektroniczne zamieniające sygnały
pochodzące z urządzeń zewnętrznych na sygnały logiczne akceptowane przez sterownik.

Sterownik Slave, jest sterownikiem nadrzędnym w sieci sterowników.

Sterownik PLC zbudowany jest z: zasilacza, modułu sygnałów wejściowych, jednostki
centralnej z mikroprocesorem (CPU), bloku pamięci, modułu sygnałów wyjściowych.

System mikroprocesorowy zawiera magistralę: adresową, danych i sterujacą.

Sterownik PLC posiada: pamięć programu, danych i systemową.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeczytać

określone

treści

Poradnika

dla

ucznia

dotyczące

systemów

mikroprocesorowych,

2) przeanalizować zdania decydując czy jest prawdziwe czy fałszywe,
3) zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Określ rodzaj wyjść sterownika oraz parametry sygnałów wyjściowych na podstawie

dokumentacji technicznej. WskaŜ, jakimi urządzeniami moŜe on sterować?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z przygotowaną dokumentacją techniczną sterownika,
2)  wypisać dane techniczne,
3)  wskazać, do sterowania jakimi urządzeniami moŜe słuŜyć ten typ sterownika.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna sterownika,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.11.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować budowę systemu mikroprocesorowego?

2) określić funkcje poszczególnych elementów systemu mikroprocesorowego?

3) scharakteryzować budowę sterownika PLC?

4) określić na podstawie dokumentacji technicznej rodzaj wejść i wyjść

sterownika PLC?

5) narysować schemat blokowy sieci sterowników?

6) podać przykłady zastosowania sterowników w przemyśle?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.  Przeczytaj uwaŜnie instrukcję zanim zaczniesz rozwiązywać zadania.
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.  Test składa się z 20 zadań.
4.  Zadania  zawierają  cztery  odpowiedzi,  z  których  tylko  jedna  jest  poprawna.  Wybraną

odpowiedź zakreśl znakiem X.

5. Jeśli uznasz, Ŝe 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,  rozwiąŜ  inne  i  ponownie  spróbuj  rozwiązać

trudniejsze.

9. Przed wykonaniem kaŜdego zadania przeczytaj bardzo uwaŜnie polecenie.
10. Odpowiedzi udzielaj tylko na załączonej karcie odpowiedzi.
11. Na rozwiązanie wszystkich zadań masz 60 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Do elementów automatyki nie zalicza się

a)  przekaźnika.
b)  silnika.
c)  zaworu.
d)  stacyjki komputerowej.

2. Elementem odbiorczym w obwodzie elektrycznym jest

a)  generator termoelektryczny.
b)  rezystor.
c)  ogniwo chemiczne.
d)  akumulator.

3. Do urządzeń automatyki zalicza się

a)  przekaźnik.
b)  rezystor.
c)  urządzenia pomiarowe.
d)  akumulator.

4. Materiałami, które nie przewodzą prądu są

a)  elektrolity.
b)  metale.
c)  dielektryki.
d)  roztwory kwasów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. Przekaźnik w układzie sterowania pełni rolę

a)  zdalnie uruchamianego łącznika.
b)  wzmacniacza.
c)  regulatora.
d)  prostownika.

6. Rysunek przedstawia symbol

a)  diody prostowniczej.
b)  diody stabilizacyjnej.
c)  diody LED.
d)  fotodiody.

7. Rezystory nie są łączone

a)  szeregowo.
b)  równolegle.
c)  mieszanie.
d)  łańcuchowo.

8. Komutator silnika prądu stałego słuŜy do

a)  zmiany kierunku prądu.
b)  zasilania.
c)  zmiany prędkości.
d)  wytworzenia pola magnetycznego.

9. Do osprzętu instalacyjnego nie naleŜą

a)  gniazda czyli łączniki wtykowe.
b)  odgałęźniki.
c)  zasilacze.
d)  bezpieczniki.

10. Przewód (N), to przewód

a)  ochronny.
b)  neutralny.
c)  ochronno-neutralny.
d)  sterowania.

11. Źródłem światła nie jest

a)  Ŝarówka.
b)  rtęciówka.
c)  świetlówka.
d)  dioda LED.

12. Elementy grzejne wykonane z materiałów oporowych, stosuje się w piecach

a)  rezystancyjnych.
b)  indukcyjnych.
c)  promiennikowych.
d)  pojemnościowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13. Jednostką natęŜenia prądu elektrycznego jest

a) wolt [V].
b) om [

Ω

c) amper [A].
d) wat [W].

14. Parametrem transformatora jest

a)  przekładnia zwojowa.
b)  wzmocnienie.
c)  współczynnik regulacji.
d)  klasa dokładności.

15. Rysunek przedstawia symbol

a)  diody LED.
b)  generatora.
c)  transformatora.
d)  wzmacniacza operacyjnego.

16. Rysunek przedstawia schemat do pomiaru

a) napięcia na rezystorze R

b) napięcia na rezystorach R

, R

c) rezystancji rezystora R

d) prąd na rezystorze R

17. Układ do pomiaru mocy, wydzielonej na rezystorze zasilonym napięciem stałym, metodą

techniczną, musi zawierać
a)  omomierz i watomierz.
b)  woltomierz i watomierz.
c)  omomierz i ammperomierz.
d)  woltomierz i amperomierz.

18. Rysunek przedstawia schemat

a)  transformatora.
b)  tranzystora.
c)  transoptora.
d)  regulatora.

19. Zawory, silniki, siłowniki, elektromagnesy, pompy, w układzie regulacji spełniają

funkcję urządzeń
a)  pomiarowych.
b)  wykonawczych.
c)  regulacyjnych.
d)  wyjściowych.

20. Jeśli spadek napięcia na rezystorze rezystancji R

= 1 k

Ω

, U

wynosi 3,5 V, to prąd I

płynący przez ten rezystor jest równy
a)  3,5 A.
b)  3,5 mA.
c)  35 mA.
d)  35 A.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

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

Analizowanie układów elektrycznych i automatyki przemysłowej

Zakreśl poprawną odpowiedź.

Nr zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem: