„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Władysław Mołdoch
Użytkowanie urządzeń elektrycznych i sterowanych
automatycznie 322[13] Z1. 03
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
1
Recenzenci:
prof. dr hab. med Grzegorz Kandzierski
prof. dr hab. med Edward Warda
Opracowanie redakcyjne:
mgr Władysław Mołdoch
Konsultacja:
mgr Ewa Łoś
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 322 [13]Z1. 03
„Użytkowanie urządzeń elektrycznych i sterowanych automatycznie”, zawartego w programie
nauczania dla zawodu technik ortopeda.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
2
SPIS TREŚCI
1. Wprowadzenie
4
2. Wymagania wstępne
6
3. Cele kształcenia
7
4. Materiał nauczania
8
4.1. Podstawowe pojęcia – prąd, napięcie elektryczne, energia i moc,
obwód elektryczny
8
4.1.1. Materiał nauczania
8
4.1.2. Pytania sprawdzające
10
4.1.3. Ćwiczenia
10
4.1.4. Sprawdzian postępów
12
4.2. Materiały przewodzące, elektroizolacyjne i oporowe
13
4.2.1. Materiał nauczania
13
4.2.2. Pytania sprawdzające
14
4.2.3. Ćwiczenia
15
4.2.4. Sprawdzian postępów
16
4.3. Obwody elektryczne prądu stałego i zmiennego
17
4.3.1. Materiał nauczania
17
4.3.2. Pytania sprawdzające
21
4.4.3. Ćwiczenia
21
4.4.4. Sprawdzian postępów
24
4.4. Miernictwo elektryczne
25
4.4.1. Materiał nauczania
25
4.4.2. Pytania sprawdzające
29
4.4.3. Ćwiczenia
29
4.4.4. Sprawdzian postępów
32
4.5. Transformatory
33
4.5.1. Materiał nauczania
33
4.5.2. Pytania sprawdzające
34
4.5.3. Ćwiczenia
34
4.5.4. Sprawdzian postępów
36
4.6. Maszyny elektryczne prądu stałego i zmiennego
37
4.6.1. Materiał nauczania
37
4.6.2. Pytania sprawdzające
40
4.6.3. Ćwiczenia
41
4.6.4. Sprawdzian postępów
42
4.7. Podstawy napędu elektrycznego
43
4.7.1. Materiał nauczania
43
4.7.2. Pytania sprawdzające
45
4.7.3. Ćwiczenia
45
4.7.4. Sprawdzian postępów
46
4.8. Grzejnictwo elektryczne
47
4.8.1. Materiał nauczania
47
4.8.2. Pytania sprawdzające
49
4.8.3. Ćwiczenia
49
4.8.4. Sprawdzian postępów
50
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
3
4.9. Oświetlenie elektryczne
51
4.9.1. Materiał nauczania
51
4.9.2. Pytania sprawdzające
54
4.9.3. Ćwiczenia
55
4.9.4. Sprawdzian postępów
56
4.10. Instalacje elektryczne
57
4.10.1. Materiał nauczania
57
4.10.2. Pytania sprawdzające
62
4.10.3. Ćwiczenia
62
4.10.4. Sprawdzian postępów
64
4.11. Zarys elektroniki
65
4.11.1. Materiał nauczania
65
4.11.2. Pytania sprawdzające
70
4.11.3. Ćwiczenia
70
4.11.4. Sprawdzian postępów
71
4.12. Bezpieczeństwo i higiena pracy podczas eksploatacji urządzeń
elektrycznych
72
4.12.1. Materiał nauczania
72
4.12.2. Pytania sprawdzające
73
4.12.3. Ćwiczenia
74
4.12.4. Sprawdzian postępów
75
4.13. Podstawowe pojęcia automatyki
76
4.13.1. Materiał nauczania
76
4.13.2. Pytania sprawdzające
78
4.13.3. Ćwiczenia
78
4.13.4. Sprawdzian postępów
80
4.14. Urządzenia automatyki
81
4.14.1. Materiał nauczania
81
4.14.2. Pytania sprawdzające
84
4.14.3. Ćwiczenia
84
4.14.4. Sprawdzian postępów
85
5. Sprawdzian osiągnięć
86
6. Literatura
93
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
4
1. WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o użytkowaniu urządzeń
elektrycznych i sterowanych automatycznie oraz kształtowaniu umiejętności związanych
z użytkowaniem tych urządzeń.
W poradniku zamieszczono:
–
wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś posiadać, aby bez problemów
mógł korzystać z poradnika,
–
cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie opanujesz podczas pracy z poradnikiem,
–
materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki
modułowej,
–
zestaw pytań, abyś sprawdzić, czy już opanowałeś określone treści,
–
ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować
umiejętności praktyczne,
–
sprawdzian postępów,
–
sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi opanowanie
wiadomości i umiejętności określonej w jednostce modułowej,
–
literaturę uzupełniającą.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
5
Schemat układu jednostek modułowych
322[13]Z1.03
Użytkowanie urządzeń
elektrycznych i sterowanych
automatycznie
322[13]Z1.01
Posługiwanie się dokumentacją
techniczną
322[13]Z1.02
Wykonywanie obróbki ręcznej
i mechanicznej materiałów
322[13]Z1.04
Wykonywanie elementów
przedmiotów ortopedycznych
z materiałów metalowych
322[13]Z1.07
Wykonywanie elementów
przedmiotów ortopedycznych
z materiałów włókienniczych
322[13]Z1
Podstawy
wytwarzania przedmiotów
ortopedycznych
322[13]Z1.06
Wykonywanie elementów
przedmiotów ortopedycznych
z tworzyw sztucznych
322[13]Z1.09
Wykonywanie odlewów
gipsowych w technice
ortopedycznej
322[13]Z1.10
Dobieranie konstrukcji
mieszanych w protetyce
ortopedycznej
322[13]Z1.05
Wykonywanie elementów
przedmiotów ortopedycznych
z drewna
322[13]Z1.08
Wykonywanie elementów
przedmiotów ortopedycznych
ze skóry
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
6
2. WYMAGANIA WSTĘPNE
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
−
stosować jednostki układu SI,
−
przeliczać jednostki,
−
posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu statyki, dynamiki, kinematyki,
elektrotechniki i elektroniki,
−
rozróżniać podstawowe wielkości elektryczne i ich jednostki,
−
rozróżniać elementy obwodu elektrycznego,
−
odczytywać schematy prostych układów elektrycznych i elektronicznych,
−
charakteryzować wymagania dotyczące bezpieczeństwa pracy przy urządzeniach
elektrycznych,
−
łączyć układy elektryczne i elektroniczne zgodnie ze schematem,
−
wyjaśniać działanie prostych układów elektronicznych na podstawie ich schematów,
−
korzystać z różnych źródeł informacji,
−
obsługiwać komputer,
−
wyszukiwać informacje w Internecie,
−
korzystać z katalogów elementów i podzespołów,
−
przekształcać wzory matematyczne,
−
podstawiać wartości do wyrażeń,
−
wykonywać obliczenia według wzoru,
−
współpracować w grupie.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
7
3. CELE KSZTAŁCENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
−
posłużyć się pojęciami: prąd, napięcie elektryczne, energia i moc, obwód elektryczny,
−
rozróżnić materiały przewodzące i elektroizolacyjne,
−
rozróżnić podstawowe elementy obwodu elektrycznego,
−
połączyć szeregowo i równolegle elementy obwodu elektrycznego,
−
dobrać mierniki i wykonać pomiar napięcia i natężenia prądu, mocy, energii elektrycznej,
rezystancji i pojemności,
−
wyjaśnić przeznaczenie i zasady działania transformatora,
−
przedstawić klasyfikację i zastosowanie maszyn elektrycznych prądu stałego i zmiennego,
−
określić wykorzystanie silników elektrycznych w maszynach i urządzeniach,
−
wyjaśnić zjawisko przetwarzania energii elektrycznej w energię cieplną i podać przykłady
urządzeń elektrotermicznych,
−
scharakteryzować oświetlenie elektryczne,
−
rozróżnić rodzaje instalacji elektrycznej i jej elementy funkcjonalne,
−
obsłużyć urządzenia elektryczne zgodnie z przepisami bezpieczeństwa i higieny pracy,
−
rozróżnić podstawowe elementy elektroniczne,
−
wyjaśnić podstawowe pojęcia dotyczące automatyki,
−
rozróżnić urządzenia automatyki,
−
zastosować elementy automatyki do sterowania mechanizmami wykonawczymi
w przedmiotach ortopedycznych i sprzęcie rehabilitacyjnym.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
8
4. MATERIAŁ NAUCZANIA
4.1.
Podstawowe pojęcia – prąd, napięcie elektryczne, energia
i moc, obwód elektryczny
4.1.1. Materiał nauczania
Prąd elektryczny.
Pierwsze wzmianki o elektryczności znajdują się w dziełach greckiego uczonego Talesa
z Miletu (ok. VI w. p.n.e.), który opisał zjawisko elektryzowania się kawałka bursztynu (po
grecku elektron) potartego wełnianą tkaniną. W podobny sposób można gromadzić ładunek
elektryczny na powierzchni innych materiałów. Zmierzenie ilości tego ładunku, np. przez
porównanie go z jednostką ładunku elektrycznego uznaną za wzorzec ładunku jest jednak
trudne. Łatwiej jest zmierzyć ładunek elektryczny gdy przemieszcza się on między tymi
materiałami, czyli gdy występuje zjawisko prądu elektrycznego. Prąd elektryczny to
uporządkowany ruch dowolnego rodzaju ładunków elektrycznych (np. elektronów
w metalach, jonów w cieczach i w gazach), wywołany oddziaływaniem na nie pola
elektrycznego. O przepływie prądu elektrycznego łatwo się przekonać obserwując skutki jakie
on powoduje, a wielkością którą można zmierzyć jest natężenie prądu elektrycznego określone
wzorem:
[ ]
A
t
Q
i
∆
∆
=
w którym:
i – natężenie prądu elektrycznego [A],
∆
Q – ilość przepływającego ładunku wyrażona Coulombach [C],
∆
t – czas w jakim ten ładunek przepływał [s]
Jednostką natężenia prądu elektrycznego jest amper [A], stanowiący jedną
z podstawowych jednostek układu SI. Jeżeli w jednakowych dowolnie małych odstępach
czasowych przepływające ładunki elektryczne są tej samej wartości, to jest to prąd stały I,
którego wartość oblicza się ze wzoru:
[ ]
A
t
Q
I
=
w którym:
I – natężenie prądu stałego,
Q – przepływający ładunek [C],
t – czas w którym przepłyną ten ładunek [s
]
.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
9
Przyrządem umożliwiającym pomiar natężenia prądu elektrycznego jest amperomierz.
Może być on wyskalowany w amperach, a także w podwielokrotnościach w miliamperach
[mA] i mikroamperach [
µ
A], przy czym:
1 A = 1000mA = 1000000
µ
A
Napięcie elektryczne.
Wokół naelektryzowanych powierzchni ciał powstaje pole elektrostatyczne. W każdym
punkcie tego pola można określić potencjał równy ilorazowi pracy wykonywanej przy
przesunięciu ładunku próbnego o znaku dodatnim z danego punktu pola do nieskończoności
do wartości tego ładunku. Różnica potencjałów między dowolnymi punktami pola
elektrostatycznego nosi nazwę napięcia.
U
AB
=V
A
– V
B
[V]
U
AB
– napięcie elektryczne między punktami A i B [V],
V
A
– potencjał w punkcie A [V],
V
B
– potencjał w punkcie B [V]
Jednostką potencjału i napięcia jest wolt [V] Istnieje dużo urządzeń elektrycznych
służących do wytwarzania napięcia np. generatory (prądnice wytwarzające napięcie
w elektrowniach), baterie elektrochemiczne, akumulatory, ogniwa słoneczne i inne.
Przyrządem umożliwiającym pomiar napięcia elektrycznego jest woltomierz. Może on być
wyskalowany w woltach [V], miliwoltach [mV] i mikrowoltach [
µ
V], przy czym:
1V = 1000mV = 1000000
µ
V
Obwód elektryczny.
Obwody elektryczne składają się z następujących elementów:
1. aktywnych, które są źródłami energii elektrycznej przetwarzanej z energii chemicznej,
mechanicznej, cieplnej lub innej (ogniwa, akumulatory, generatory itp.),
2. pasywnych (biernych), w których energia elektryczna jest gromadzona lub przetwarzana
w energię cieplną, mechaniczną, świetlną, jak np. kondensatory, cewki indukcyjne,
rezystory, silniki elektryczne, żarówki itp.
Na rysunku przedstawiony jest najprostszy obwód elektryczny składający się ze źródła
napięcia, odbiornika i przewodów łączeniowych.
Rys. 1.
Najprostszy obwód elektryczny
Energia i moc prądu elektrycznego.
Przy przepływie prądu elektrycznego przez odbiornik w czasie t zostaje przez odbiornik
pobrana energia elektryczna określona zależnością:
W = U
odb
´ I ´ t [J]
gdzie:
W – energia pobrana przez odbiornik w dżulach [J],
U
odb
– napięcie między zaciskami odbiornika [V],
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
10
I – natężenie prądu płynącego przez odbiornik [A],
t – czas pobierania energii przez odbiornik [s]
Energię pobraną w jednostce czasu nazywamy mocą i określamy zależnością:
[ ]
W
J
Uodb
t
W
P
*
=
=
gdzie:
P – moc odbiornika w watach [W],
W – energia pobierana prze odbiornik [J],
t – czas pobierania energii przez odbiornik [s]
Moc pobieraną przez odbiornik możemy zmierzyć specjalnym miernikiem do jej pomiaru
zwanym watomierzem.
4.1.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co nazywamy prądem elektrycznym?
2. Jakimi przyrządami mierzy się natężenie prądu elektrycznego?
3. Jaka jest podstawowa jednostka natężenia prądu elektrycznego?
4. Kiedy mamy do czynienia z prądem stałym?
5. Co to jest napięcie elektryczne?
6. W jakich jednostkach mierzy się napięcie elektryczne?
7. W jaki sposób może być wytwarzane napięcie elektryczne?
8. Jakimi przyrządami mierzy się wartość napięcia elektrycznego?
9. Z jakich elementów może składać się obwód elektryczny?
10. Jakie elementy wchodzą w skład najprostszego obwodu elektrycznego?
11. W jaki sposób obliczamy energię elektryczną pobraną przez odbiornik?
12. Jaka jest jednostka energii elektrycznej?
13. Jak określamy moc odbiornika?
14. Jaka jest jednostka mocy elektrycznej?
15. Jakim przyrządem możemy bezpośrednio zmierzyć moc elektryczną?
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Oblicz wartość prądu (natężenia prądu) w przewodzie metalowym, jeżeli w czasie t = 1s
przez jego przekrój przepływa 10 10
18
elektronów. Ładunek elektryczny każdego elektronu to
e = – 1,6 10
– 18
C.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzór,
3) zapisać zależność na wartość natężenia prądu,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
11
Ćwiczenie 2
Oblicz ładunek elektryczny jaki pobrał rozrusznik samochodowy pracując 2 sekundy
i pobierając w tym czasie prąd o natężeniu 150 A.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzór,
3) zapisać zależność na wartość natężenia prądu,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 3
Zapisz następujące wyniki pomiarów napięcia w woltach:
150 mV =............ V,
1500 mV =........... V,
450
µ
V =.............. V,
450000
µ
=............. V.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać związek pomiędzy V a mV i
µ
V,
2) zapisać te zależności,
3) zapisać odpowiednie proporcje,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 4
Mając do dyspozycji: źródło napięcia (baterię 4,5 V), żarówkę (0,25 W/ 4,5 V)
w oprawce z zaciskami oraz dwa przewody połącz następujący obwód elektryczny (Rys. 2).
Rys. 2. Obwód elektryczny do ćwiczenia 4
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
12
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zidentyfikować poszczególne elementy obwodu,
2) połączyć zacisk „+ ” baterii z zaciskiem żarówki,
3) połączyć zacisk „ – ” baterii z drugim wolnym zaciskiem żarówki,
4) jeżeli wykonałeś to prawidłowo to żarówka się zaświeci.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
bateria 4,5 V,
−
żarówka w oprawce 0,25 W/ 4,5 V,
−
dwa przewody,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 5
Żarówka połączona według schematu z ćwiczenia 4 pobiera prąd o natężeniu 0,055 A,
napięcie baterii wynosi 4,5 V. Oblicz moc i energię pobieraną przez żarówkę w czasie10
sekund.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzory,
3) zapisać zależność na wartość pobieranej energii i mocy,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
zdefiniować pojęcia prądu elektrycznego?
2)
zdefiniować pojęcie napięcia elektrycznego?
3)
zdefiniować pojęcie energii elektrycznej?
4)
zdefiniować pojęcie mocy prądu elektrycznego?
5)
obliczyć pobierany ładunek elektryczny?
6)
połączyć najprostszy obwód elektryczny?
7)
rozróżnić elementy obwodu elektrycznego?
8)
zamieniać
jednostki
podstawowe
prądu
i
napięcia
na
podwielokrotności i odwrotnie?
9)
nazwać przyrządy pomiarowe do mierzenia podstawowych wielkości
elektrycznych?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
13
4.2. Materiały przewodzące, elektroizolacyjne i oporowe
4.2.1. Materiał nauczania
Prawo Ohma.
W roku 1827 niemiecki fizyk Georg Ohm sformułował jedno z podstawowych praw dla
obwodów elektrycznych o treści:
Wartość prądu płynącego w przewodniku jest wprost proporcjonalna do napięcia
doprowadzonego do jego końców, a odwrotnie proporcjonalna do rezystancji tego
przewodnika.
Można to określić wzorem:
[ ]
A
R
U
J
=
gdzie:
I – natężenie prądu [A],
U – napięcie [V],
R – rezystancja (opór elektryczny) w omach [
Ω
]
Dany element obwodu elektrycznego odznacza się rezystancją jednego oma (1
Ω
), jeżeli
po doprowadzeniu do niego napięcia o wartości jednego wolta (1 V) popłynie przez niego
prąd o natężeniu jednego ampera (1 A).
Stwierdzenie powyższe wynika z przekształcenia wzoru prawa Ohma do postaci:
[ ]
Ω
=
J
U
R
Rezystancja elementu przewodzącego prąd elektryczny zależy od materiału, z jakiego
jest on wykonany oraz od jego wymiarów. Ujmuje to zależność:
[ ]
Ω
=
S
P
R
1
*
gdzie:
R – rezystancja elementu obwodu [
Ω
],
l –długość elementu [m],
S – przekrój poprzeczny tego elementu [m
2
],
ρ
– rezystywność materiału.
Tabela 1. Wartości rezystywności
ρ typowych materiałów przewodzących ( przewodników).
Rezystywność
Nazwa przewodnika
[
Ω
´ m]
Srebro
0,0162 ´ 10
– 6
Złoto
0,021 ´ 10
– 6
Miedź
0,0175 ´ 10
– 6
Aluminium
0,0287 ´ 10
– 6
Żelazo
0,097 ´ 10
– 6
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
14
Z materiałów przewodzących wytwarzane są przewody łączeniowe, kable, tworzone są
wszelkie połączenia, które powinny cechować się jak najmniejszą rezystancją.
Inną grupą materiałów stosowaną w elektrotechnice istotną ze względu na
bezpieczeństwo użytkownika są materiały elektroizolacyjne. Cechuje je bardzo duża wartość
rezystywności wynosząca od 10
12
do 10
18
Ω
m. Istotną cechą tych materiałów jest
wytrzymałość elektryczna charakteryzująca się wartością napięcia przypadającą na jednostkę
grubości przy której następuje strata właściwości elektroizolacyjnych.
Tabela 2. Właściwości niektórych materiałów elektroizolacyjnych.
Rodzaj materiału
Rezystywność
[
Ω
´ m]
Wytrzymałość elektryczna
[kV/mm]
Polistyren
10
12
–10
14
50–70
Mika
10
12
–10
14
100–300
Porcelana
10
11
–10
14
10–30
Guma
10
11
–10
13
15–25
Bakelit
10
8
–10
10
10–16
Olej transformatorowy
10
10
–10
13
20–30
Powietrze
10
16
–10
18
2,6–2,3
1kV = 1000 V
Stosowanie materiałów elektroizolacyjnych ma na celu zapobieganie przepływowi prądu
do ziemi oraz jego przepływowi niepożądaną drogą przez izolowanie części przewodzących
prąd materiałami praktycznie nie przewodzącymi prądu elektrycznego.
Materiały oporowe cechuje rezystywność wynosząca około 10
– 6
Ω
m. Najważniejsze
z nich to: chromonikielina, stopy żelazochromowe, żelazo – chromowo – aluminiowe,
konstantan i nikielina. Istotną cechą tych materiałów oprócz rezystywności jest dopuszczalna
temperatura ich pracy. W zależności od składu procentowego poszczególnych materiałów ich
dopuszczalne temperatury pracy mogą być różne, a mianowicie:
−
Chromonikielina bez żelaza – około 1000
°
C. Stosowana jest prawie do wszystkich
grzejników, a więc piecyków odbłyskowych, kuchenek i grzałek nurkowych.
−
Chromonikielina z żelazem – około 900
°
C. Znajduje zastosowanie w grzejnikach
o niższej temperaturze, a więc w grzałkach, żelazkach elektrycznych.
−
Konstantan – około 300
°
C. Nadaje się do grzejników o niskiej temperaturze roboczej np.
do poduszek elektrycznych.
−
Nikielina około 400
°
C. Znajduje zastosowanie podobnie jak konstantan.
Materiały oporowe służą także do budowy oporników stałych i zmiennych.
4.2.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakim wzorem określa się prawo Ohma?
2. W jaki sposób określa się rezystancję materiału?
3. W jakich jednostkach wyrażana jest rezystywność materiału?
4. Czym cechują się materiały przewodzące?
5. Co cechuje materiały elektroizolacyjne?
6. Czym charakteryzują się materiały oporowe?
7. Jakie znasz przewodniki i do czego są one wykorzystywane?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
15
8. Jakie znasz materiały elektroizolacyjne i do czego są one wykorzystywane?
9. Jakie znasz materiały oporowe i do czego są one wykorzystywane?
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Oblicz natężenie prądu jaki popłynie w oporniku o rezystancji R = 100
Ω
, jeżeli panuje na
nim napięcie U = 10 V.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzór,
3) zapisać zależność na wartość natężenia prądu,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 2
Oblicz rezystancję przewodu miedzianego o długości l = 1km i przekroju S = 1 cm
2
.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzór,
3) zapisać zależność na wartość rezystancji,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 3
Określ czy guma o grubości 2 mm wytrzyma napięcie 60 kV przyłożone do jej dwóch
równoległych powierzchni?
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) znaleźć wartość wytrzymałości elektrycznej dla gumy,
3) obliczyć wartość napięcia dla 1mm.,
4) porównać wartość obliczoną z wartością z tabeli.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
16
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
podać wzór opisujący prawo Ohma?
2)
obliczyć rezystancję materiału na podstawie jego wymiarów
i rezystywności?
3)
podać cechy przewodników?
4)
wymienić kilka przewodników?
5)
podać cechy materiałów elektroizolacyjnych?
6)
wymienić kilka materiałów elektroizolacyjnych?
7)
podać cechy materiałów oporowych?
8)
wymienić kilka materiałów oporowych?
9)
wymienić zastosowanie poszczególnych materiałów przewodzących,
elektroizolacyjnych, oporowych?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
17
4.3
Obwody elektryczne prądu stałego i zmiennego
4.3.1. Materiał nauczania
Obwody prądu stałego.
Rozważmy obwód prądu stałego, przedstawiony na rysunku, złożony ze źródła o napięciu
E i rezystancji wewnętrznej R
w
oraz odbiornika o rezystancji R
odb
, rezystancję przewodów
łączeniowych pomijamy.
Rys. 3.
Obwód prądu stałego.
Wchodzące w skład obwodu źródło napięcia E jest źródłem napięcia stałego tj. takiego,
którego zarówno zwrot, jak i wartość nie zmieniają się w czasie. Jedna z końcówek źródła
(zacisk) ma potencjał wyższy – dodatni (+), a druga potencjał niższy – ujemny ( – ). Jest to
źródło napięcia o stałej biegunowości. Źródłami napięcia stałego są np. ogniwa galwaniczne
( potocznie nazywane bateriami) używane do zasilania w latarkach, zegarkach lub w sprzęcie
elektronicznym oraz akumulatory używane w samochodach. Na sumaryczną rezystancje
obwodu składają się: rezystancja odbiornika i rezystancja wewnętrzna źródła, czyli:
R = R
odb
+ R
w
Zgodnie z prawem Ohma natężenie prądu płynącego w tym obwodzie:
U
I
= =
R
Natomiast napięcie na odbiorniku zgodnie z prawem Ohma określone jest zależnością:
U
odb
= R
odb
I
=
W omawianym obwodzie zastosowano wzór na połączenie szeregowe rezystorów, który
obowiązuje dla przypadku:
Rys. 4.
Połączenie szeregowe rezystorów
Rezystancja zastępcza pomiędzy punktem 1 i 2 określona jest zależnością:
Rz =R1+ R2 + R3
Zależność ta obowiązuje także dla większej liczby rezystorów, ale muszą być one
połączone szeregowo tzn. koniec poprzedzającego z początkiem następnego itd.
U
R
odb
+ R
w
R
odb
U
R
odb
+ R
w
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
18
Innym połączeniem rezystorów jest połączenie równoległe, które przedstawia rysunek:
Rys. 5.
Połączenie równoległe rezystorów.
Wówczas obowiązuje zależność:
=
W praktyce bardzo często występuje połączenie mieszane i wypadkową rezystancję oblicza się
wykorzystując zależności dla łączenia szeregowego i równoległego.
Obwody prądu przemiennego.
Częściej niż z prądem stałym w życiu codziennym mamy do czynienia z prądem
przemiennym, gdyż w taki sposób energia elektryczna jest dostarczana do naszych domów
i przemysłowych instalacji elektrycznych. Prąd przemienny odznacza się tym, że wartość jego
natężenia i kierunek zmieniają się okresowo w czasie, jest to przebieg sinusoidalnie zmienny.
Rys. 6.
Przebieg napięcia sinusoidalnie zmiennego i jego parametry [9]
T – okres przebiegu [ s ],
U – wartość skuteczna,
Um – wartość maksymalna, amplituda
Odwrotnością okresu jest częstotliwość:
w
R
odb
R
U
R
U
+
=
Jednostką częstotliwości jest herc [Hz] Częstotliwość 50 Hz oznacza, że w ciągu sekundy
występuje 50 następujących po sobie sinusoidalnych zmian napięcia, a więc w ciągu jednej
sekundy zmienia się 100 razy kierunek napięcia.
1
1
1
1
R
z
R1
R2
R3
+
+
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
19
Wartość skuteczna napięcia i prądu przemiennego.
Wartością skuteczną prądu przemiennego nazywa się taką wartość prądu stałego, który
płynąc przez ten sam rezystor spowoduje wydzielenie się takiej samej ilości ciepła (energii) co
płynący w tym samym czasie prąd przemienny. Wartości skuteczne prądów i napięć oznacza
się wielkimi literami I, U i oblicza się z zależności:
I =
2 2
Obwód prądu przemiennego.
Rys. 7.
Najprostszy obwód prądu przemiennego
Jest to najprostszy obwód prądu przemiennego. Tak możemy narysować podłączenie
odbiornika rezystancyjnego do sieci energetycznej o wartości skutecznej E = 230 V. Wówczas
w obwodzie popłynie prąd o wartości skutecznej określony zależnością:
I =
Rodb
E
[A]
Kondensatory i cewki.
Elementami odgrywającymi znaczną rolę w obwodach prądu przemiennego są
kondensatory i cewki. Mogą one na krótki czas gromadzić energię odpowiednio w polu
elektrycznym i polu magnetycznym.
Wielkość ładunku elektrycznego Q zgromadzonego na okładzinach kondensatora jest
wprost proporcjonalna do iloczynu pojemności kondensatora C i doprowadzonego doń
napięcia elektrycznego U.
Q = C U
C – pojemność kondensatora zależna od jego konstrukcji wyrażona w faradach [F]
W obwodach prądu przemiennego parametrem związanym z kondensatorem jest reaktancja
pojemnościowa kondensatora, którą określa się zależnością:
Xc =
fC
Π
2
1
[
Ω]
Xc – reaktancja pojemnościowa w omach [
Ω
],
C – pojemność kondensatora w faradach [F],
f – częstotliwość napięcia zasilającego obwód z kondensatorem w hercach [Hz],
Π
= 3,14....
Im
oraz
U =
Um
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
20
Rys. 8.
Obwód z kondensatorem
Wartość skuteczna prądu płynącego w tym obwodzie zgodnie z prawem Ohma, określona
jest zależnością:
Xc
E
Ic
=
[A]
Cewkę indukcyjną w obwodach prądu przemiennego reprezentuje reaktancja indukcyjna
określona zależnością:
X
L
= 2Ÿ
Π
Ÿ f Ÿ L [
Ω
]
X
L
– reaktancja indukcyjna cewki w omach [
Ω
],
f – częstotliwość napięcia zasilającego obwód z cewką w hercach [Hz],
L – indukcyjność cewki zależna od jej konstrukcji w henrach [H],
Π
=3,14....
Rys. 9.
Obwód prądu przemiennego z cewką
W obwodzie tym popłynie prąd o wartości skutecznej obliczonej na podstawie prawa
Ohma dla obwodu prądu przemiennego:
L
L
X
E
I
=
[
Ω],
Reaktancje pojemnościowe mogą być ze sobą połączone podobnie jak rezystancje
w obwodach prądu stałego. Na obliczenie wypadkowej reaktancji pojemnościowej stosuje się
analogiczne wzory jak dla rezystancji. Analogicznie oblicza się również wypadkową reaktancję
indukcyjną.
Jeżeli złożony obwód prądu przemiennego zostanie sprowadzony do postaci jak na
rysunku.
Rys. 10. Obwód prądu przemiennego z rezystancją, reaktancją pojemnościowa i reaktancją indukcyjną
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
21
Prąd w takim obwodzie obliczany jest na podstawie zależności:
Z
E
I
=
[A]
gdzie:
2
2
)
(
C
L
X
X
R
Z
−
+
=
– impedacja obwodu wyrażona w Omach [
Ω],
E – wartość skuteczna napięcia zasilającego obwód [V]
4.3.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie elementy występują w najprostszym obwodzie prądu stałego?
2. Jakie ma cechy źródło napięcia stałego?
3. Jakie znasz przykładowe źródła napięcia stałego?
4. Jak obliczamy rezystancję wypadkową przy połączeniu szeregowym?
5. Jak obliczamy rezystancję wypadkową przy połączeniu równoległym?
6. Jakie ma cechy źródło napięcia przemiennego?
7. Jaki jest związek pomiędzy częstotliwością a okresem napięcia przemiennego?
8. Jak określamy wartości skuteczne napięcia i natężenia prądu przemiennego?
9. Gdzie mamy do czynienia z prądem przemiennym?
10. Jak obliczamy reaktancję pojemnościową i indukcyjną?
11. Jak obliczamy wypadkową impedancję obwodu?
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Oblicz natężenie prądu jaki popłynie w oporniku o rezystancji R = 100
Ω
, jeżeli panuje na
nim napięcie U = 10 V.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzór,
3) zapisać zależność na wartość natężenia prądu,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 2
Oblicz rezystancję wypadkową dla szeregowego połączenia następujących rezystorów:
R1 = 10
Ω
, R2 = 15
Ω
, R3 = 13
Ω
, R4 = 22
Ω
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
22
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) narysować schemat układu,
3) odszukać wzór,
4) zapisać zależność na wartość rezystancji zastępczej (wypadkowej),
5) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4.
Ćwiczenie 3
Oblicz rezystancję wypadkową dla równoległego połączenia następujących rezystorów:
R1 = 10
Ω
, R2 = 20
Ω
, R3 = 40
Ω
, R4 = 5
Ω
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) narysować schemat układu,
3) odszukać wzór,
4) zapisać zależność na wartość rezystancji zastępczej (wypadkowej),
5) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 7 poradnika.
Ćwiczenie 4
Oblicz rezystancję wypadkową dla połączenia rezystorów według schematu.
Rys. 10. Schemat do ćwiczenia 4
R1 = 10
Ω
, R2 = 10
Ω
, R3 = 10
Ω
, R4 = 10
Ω
, R5 =10
Ω
.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać sposób łączenia poszczególnych rezystorów,
2) odszukać wzór,
3) obliczyć wartość rezystora wypadkowego,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
23
4) rozpoznać sposób łączenia rezystora z rezystorem wypadkowym,
5) zapisać zależność na wartość rezystancji zastępczej (wypadkowej),
6) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 5
Oblicz okres T napięcia sieci energetycznej o częstotliwości 50 Hz..
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzór,
3) zapisać zależność na wartość okresu,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 6
Oblicz amplitudę napięcia w domowej instalacji oświetleniowej, którego wartość
skuteczna wynosi 230 V.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzór,
3) zapisać zależność na wartość amplitudy napięcia,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 7
Oblicz reaktancję pojemnościową kondensatora o pojemności C = 0,000001 F = 1
µ
F
włączonego do sieci energetycznej o częstotliwości 50 H.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
24
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzór,
3) zapisać zależność na wartość reaktancji,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 8
Oblicz wartość impedacji obwodu prądu przemiennego przyłączonego do źródła napięcia
przemiennego o wartości skutecznej 230 V, jeżeli w obwodzie popłynął prąd o wartości
skutecznej 10 A?
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzór,
3) zapisać zależność na wartość impedancji,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
4.3.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
wymienić elementy najprostszego obwodu prądu stałego?
2)
rozróżnić źródło napięcia stałego od źródła napięcia przemiennego?
3)
rozróżniać
różne
rodzaje
połączeń
elementów
obwodu
elektrycznego?
4)
obliczyć rezystancję wypadkowa obwodu złożonego z rezystorów?
5)
podać związek pomiędzy częstotliwością a okresem przebiegu?
6)
podać zależność pomiędzy amplitudą a wartością skuteczną napięcia
sinusoidalnie przemiennego?
7)
wskazać obszary zastosowania prądu stałego i przemiennego?
8)
obliczyć reaktancję pojemnościową lub indukcyjną?
9)
obliczyć impedancję wypadkową obwodu prądu przemiennego?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
25
4.4. Miernictwo elektryczne
4.4.1. Materiał nauczania
Miernictwo elektryczne obejmuje zarówno pomiary kontrolne wielkości elektrycznych
w obwodach, jak i pomiary innych wielkości, w których wykorzystywana jest energia
elektryczna. W pierwszym wypadku do obwodu zostają bezpośrednio włączone mierniki
takich wielkości jak napięcie, natężenie, oporu elektrycznego czy mocy. W drugim – miernik
mierzący taką wielkość, jak temperatura czy liczba obrotów, musi być zaopatrzony
w przetwornik, aby badana wielkość mogła być przedstawiona za pomocą właściwych dla niej
jednostek. Każdy miernik ma odpowiednią czułość i określony, dopuszczalny błąd pomiarowy.
Istnieje bardzo wiele klas mierników w 3zależności od mierzonej wielkości bądź zasady
działania.
Budowa i podział przyrządów pomiarowych.
Każdy spośród elektrycznych przyrządów pomiarowych składa się z urządzenia
odczytowego, ustroju pomiarowego i obudowy.
Urządzenie odczytowe pozwala na odczytanie wartości wielkości mierzonej. We
współczesnym miernictwie elektrycznym stosuje się dwa podstawowe rodzaje urządzeń
odczytowych:
−
analogowe – wskazówkowe, w których mierzoną wartość pokazuje wskazówka (np.
świetlna lub mechaniczna strzałka ) na podziałce przyrządu,
−
cyfrowe, w których mierzona wartość jest pokazywana a postaci liczby na wyświetlaczu
elektronicznym.
Ustrój pomiarowy stanowi urządzenie służące do przetwarzania wielkości mierzonych na
sygnały przekazywane do urządzenie odczytowego. Ustroje pomiarowe są przetwornikami
elektromechanicznymi albo elektronicznymi.
Obudowa przyrządu pomiarowego chroni go przed wpływami otoczenia. W jej wnętrzu
instaluje się ustrój pomiarowy i urządzenie odczytowe.
Ze względu na rodzaj mierzonej wielkości wyróżnia się następujące mierniki:
−
amperomierze,
−
woltomierze,
−
omomierze,
−
watomierze,
−
liczniki energii elektrycznej.
Ze względu na rodzaj mierzonych prądów i napięć rozróżnia się przyrządy do obwodów
prądu stałego i do obwodów prądu przemiennego. Współcześnie często spotykane uniwersalne
przyrządy pomiarowe łączące funkcje kilku spośród wyżej wymienionych przyrządów.
Przyrządy te można wykorzystywać zarówno do pomiarów prądów stałych, jak
i przemiennych.
Pomiary wielkości elektrycznych.
Pomiary wielkości elektrycznych przeprowadza się metodami:
−
bezpośrednimi, w których wynik pomiaru otrzymuje się na podstawie pomiaru tylko jednej
wielkości,
−
pośrednimi, w których poszukiwaną wielkość otrzymuje się, mierząc inne wielkości
powiązane z nią zależnościami podstawowych praw elektrotechniki.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
26
Pomiary napięcia.
Aby zmierzyć napięcie panujące między dwoma punktami obwodu, łączy się je z zaciskami
woltomierza.
Rys. 11. Pomiar napięcia: a). symbol woltomierza, b). układ pomiarowy
Woltomierze cechuje duży opór własny, który łatwiej pozwala zmierzyć przepływający
prąd (w myśl przekształconego wzoru Ohma U = IR).
Pomiary prądu.
Aby zmierzyć natężenie prądu w dowolnej gałęzi obwodu, należy szeregowo włączyć
w nią amperomierz.
Rys. 12. Pomiar natężenia prądu: a). symbol amperomierza, b). układ pomiarowy
Amperomierze mają opór niewielki, tak aby nie zakłócał pomiaru.
Pomiary rezystancji.
Bezpośredni, a zarazem szybki pomiar rezystancji jest możliwy za pomocą przyrządów
pomiarowych, zwanych omomierzami.
Rys. 13. a). układ omomierza. b).symbol omomierza
Pomiar rezystancji Rx odbywa się przez włączenie badanego rezystora do obwodu prądu
stałego, w którym szeregowo połączone jest źródło napięcia U, miliamperomierz o rezystancji
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
27
R
A
i dodatkowy rezystor Rp. Prąd wskazywany przez amperomierz jest odwrotnie
proporcjonalny do rezystancji badanego rezystora. Pozwala to na wyskalowanie przyrządu
w omach. Przy rozwartych zaciskach wskazówka omomierza nie wychyla się z położenia
spoczynkowego wskazując znak
∞
(rezystancja nieskończenie duża). Przy zwartych zaciskach
– wychyla się do końca podziałki ( rezystancja równa zeru ). Obecnie, rezystancję mierzy się
najczęściej miernikami cyfrowymi ( multimetrami ).
Pomiar pojemności.
Pomiaru pojemności można dokonać metodą pośrednią mierząc prąd i napięcie o znanej
częstotliwości w układzie jak na rysunku.
Rys. 14. Układ do pomiaru pojemności metodą pośrednią
Korzystając z prawa Ohma dla obwodu prądu przemiennego możemy zapisać:
I
U
X
C
=
[
Ω
];
Po obliczeniu X
C
należy przekształcić drugi wzór na X
C
wyznaczając z niego C, a więc jeżeli
fC
X
C
Π
=
2
1
to
C
fX
C
Π
=
2
1
[F], gdzie f – częstotliwość napięcia U zasilającego obwód,
Π
= 3,14.
Pojemność można także wyznaczyć korzystając z metod mostkowych oraz przez
bezpośredni pomiar za pomocą mierników cyfrowych posiadających funkcję pomiaru
pojemności.
Pomiar mocy elektrycznej.
W obwodach prądu stałego oraz w jednofazowych obwodach prądu przemiennego do
pomiaru mocy stosuje się watomierze. Watomierz jest przyrządem pomiarowym wyposażonym
w dwa obwody: prądowy i napięciowy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
28
odbiornik
1
2
Rys. 15.
Pomiar mocy: a). symbol watomierza; b).sposób włączenia
watomierza
do
obwodu
elektrycznego
prądu
stałego
lub
jednofazowego obwodu prądu przemiennego
Pomiar energii elektrycznej.
Do pomiaru energii elektrycznej w sieciach prądu przemiennego stosuje się indukcyjne
liczniki energii elektrycznej. Zliczają one liczbę kilowatogodzin energii zużytej przez wszystkie
odbiorniki energii przyłączone do instalacji. Jego wskazanie jest podstawą do rozliczania się
między dostawcą a odbiorcą energii. Jednostką miary energii elektrycznej czynnej w układzie
SI jest dżul równy 1wat* 1sekunda (watosekunda), natomiast powszechnie używaną jednostką
miary tej energii jest kilowatogodzina – kWh albo megawatogodzina – MWh.
Liczniki mogą
być jednofazowe lub trójfazowe.
Licznik indukcyjny jest maszyną indukcyjną w której aluminiowa tarcza porusza się pod
wpływem wirowego pola magnetycznego wytworzonego przez dwie cewki. W jednej cewce
płynie prąd proporcjonalny do natężenia prądu pobieranego przez odbiorcę, w drugiej do
napięcia. Cewki są tak umieszczone, że powstający moment napędowy jest proporcjonalny do
iloczynu chwilowej wartości prądu i napięcia (a więc licznik "mierzy" moc czynną), a ten
z kolei jest równoważony poprzez moment hamujący, który powstaje w wyniku obrotu tarczy
między biegunami magnesu trwałego i jest proporcjonalny do szybkości ruchu tarczy.
Rys. 16. Podłączenie licznika jednofazowego. Występujące na rysunku prostokąty są zaciskami licznika
Pomiar miernikiem wskazówkowym.
Do najprostszych typów mierników elektrycznych należą elektromechaniczne mierniki
analogowe, zwane potocznie miernikami wskazówkowymi. Ich zasadniczy element stanowi
ruchoma wskazówka umocowana na osi, do której przymocowane są sprężynki
przeciwdziałające niekontrolowanym wychyleniom wskazówki. Oprócz tego każdy
z mierników ma nieruchomy układ mierniczy, przez który może przepływać prąd. W chwili
gdy prąd zaczyna płynąć, wskazówka wychyla się, pokonując opór sprężynek. W tym
momencie energia elektryczna ulega zamianie na mechaniczną. Kąt wychylenia wskazówki
określa mierzoną wielkość w jednostkach podanych na tarczy za wskazówką.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
29
Rys. 17. Przykładowa tarcza miernika wskazówkowego.
Aby właściwie, posłużyć się miernikiem wskazówkowym należy dla używanego zakresu
określić stałą zakresu c według wzoru:
max
α
zakres
c
=
α
max
– maksymalna liczba działek na podzielni miernika
Wskazanie miernika określamy według zależności:
X =
α
x
« c
α
x
– liczba działek wskazana przez wskazówkę,
c – stała zakresu,
X – wartość zmierzona
.
4.4.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Wymień elementy składowe elektrycznego przyrządu pomiarowego?
2. Jakie urządzenia odczytowe występują we współczesnym miernictwie?
3. Jakie są metody pomiaru wielkości elektrycznych?
4. Jakiego miernika używa się do pomiaru napięcia?
5. Jaką rezystancją powinien cechować się woltomierz?
6. W jaki sposób włącza się amperomierz?
7. Jaka jest rezystancja wewnętrzna amperomierza?
8. Do czego służy omomierz?
9. W jaki sposób można zmierzyć pojemność kondensatora?
10. Ile zacisków posiada watomierz?
11. Co jest jednostka miary energii elektrycznej?
12. W jaki sposób korzystamy z mierników wskazówkowych?
4.4.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Zmierz cztery różne napięcia wyjściowe zasilacza regulowanego napięcia stałego
woltomierzem wielozakresowym.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
30
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) narysować schemat pomiarowy,
2) połączyć urządzenia według schematu,
3) dobrać właściwy zakres pomiarowy,
4) obliczyć stałą tego zakresu,
5) odczytać wychylenie
α
x
wskazówki,
6) wyliczyć wartość mierzonego napięcia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
zasilacz napięcia stałego regulowany,
−
woltomierz wskazówkowy wielozakresowy,
−
przewody łączeniowe,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 2
Zmierz cztery wartości skuteczne napięcia przemiennego nastawione za pomocą
autotransformatora
woltomierzem
wskazówkowym
i
multimetrem.
Wyniki
zapisz
w odpowiedniej tabeli.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) narysować schemat pomiarowy,
2) przygotować odpowiednią tabelę,
3) połączyć układ według schematu,
4) zmierzyć cztery nastawy autotransformatora i zapisać je w tabeli.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
woltomierz analogowy wielozakresowy,
−
multimetr,
−
autotransformator,
−
przewody łączeniowe,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 3
Zmierz cztery wartości skuteczne natężenia prądu przemiennego pobierane przez cztery
żarówki różnej mocy. Wyniki zapisz w odpowiedniej tabeli.
Sposób wykonania ćwiczenia.
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) narysować schemat pomiarowy,
2) przygotować przyrządy i mierniki,
3) przygotować odpowiednią tabelę,
4) połączyć układ według schematu,
5) zmierzyć cztery wartości prądu i zapisać je w tabeli.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
31
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
amperomierz,
−
przewody łączeniowe,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 4
Korzystając z omomierza w mierniku uniwersalnym zmierz cztery różne rezystory.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) narysować schemat pomiarowy,
2) przygotować odpowiednią tabelę,
3) połączyć układ według schematu,
4) zmierzyć cztery wartości rezystorów i zapisać je w tabeli.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
miernik uniwersalny,
−
przewody łączeniowe,
−
cztery różne rezystory,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 5
Korzystając z miernika pojemności w multimetrze zmierz wartości pojemności czterech
różnych kondensatorów.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) narysować schemat pomiarowy,
2) przygotować odpowiednią tabelę,
3) połączyć układ według schematu,
4) wybrać odpowiednią funkcję w multimetrze,
5) zmierzyć cztery wartości pojemności kondensatorów i zapisać je w tabeli.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
multimetr,
−
cztery różne kondensatory,
−
przewody łączeniowe.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
32
4.4.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
wymienić elementy składowe elektrycznego przyrządu pomiarowego?
2)
rozróżnić przyrząd analogowy od cyfrowego?
3)
odróżnić poszczególne rodzaje mierników?
4)
włączyć woltomierz w układ pomiarowy?
5)
włączyć amperomierz w układ pomiarowy?
6)
obliczyć stałą zakresu miernika, a następnie wartość zmierzoną?
7)
zmierzyć wartość rezystorów omomierzem?
8)
zmierzyć pojemność kondensatorów za pomocą multimetru?
9)
wyjaśnić dlaczego watomierz posiada cztery zaciski?
10) wyjaśnić dlaczego energię elektryczną mierzy się w kWh?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
33
4.5. Transformatory
4.5.1. Materiał nauczania
Zasada działania.
Transformator (z łac. transformare – przekształcać) jest maszyną elektryczną służąca do
przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu
elektrycznego do drugiego. Oba obwody są zazwyczaj odseparowane galwanicznie – co
oznacza, że nie ma połączenia elektrycznego pomiędzy uzwojeniami, a energia przekazywana
jest przez pole magnetyczne. Wyjątkiem jest autotransformator, w którym uzwojenie
pierwotne i uzwojenie wtórne posiadają część wspólną i są ze sobą połączone galwanicznie.
Transformator zbudowany jest z dwóch lub więcej cewek (zwanych uzwojeniami) nawiniętych
na wspólny rdzeń magnetyczny wykonany zazwyczaj z materiału ferromagnetycznego. Jedno z
uzwojeń (zwane pierwotnym) podłączone jest do źródła prądu przemiennego, powoduje to
przepływ w nim prądu przemiennego. Przemienny prąd wywołuje powstanie zmiennego pola
magnetycznego, pole to przenika przez pozostałe cewki (zwane wtórnymi) i w wyniku indukcji
elektromagnetycznej powstaje w nich zmienna siła elektromotoryczna (napięcie).
Rys. 18. Budowa transformatora[9]
Dla transformatora idealnego (pomijalny jest opór uzwojeń oraz pojemności między
zwojami uzwojeń, cały strumień magnetyczny wytworzony w uzwojeniu pierwotnym przenika
przez uzwojenie wtórne) obowiązuje wzór:
gdzie:
U – napięcie elektryczne
I – prąd elektryczny
n – liczba zwojów
wej – strona pierwotna (stosuje się również oznaczenie 1)
wyj –strona wtórna (stosuje się również oznaczenie 2)
Poniższy stosunek:
nazywamy przekładnią transformatora.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
34
Rys. 19. a). symbol transformatora; b). symbol autotransformatora
Istnieją też transformatory, w których jedno uzwojenie jest częścią drugiego
(autotransformatory) o większej liczbie uzwojeń oraz o wielu wyprowadzeniach z tego samego
uzwojenia.
Zastosowanie transformatorów.
Transformatory energetyczne w wykonaniu trójfazowym charakteryzujące się dużą mocą
wykorzystywane są w sieciach przesyłowych do podwyższania i obniżania napięcia, dzięki
czemu możliwy jest przesył energii elektrycznej przy małych stratach. Transformatory
jednofazowe są powszechnie stosowane w przemyśle w różnych obwodach pomiarowych,
sygnalizacyjnych i zabezpieczających, a także w układach zasilania urządzeń spawalniczych
i prostownikowych. Bardzo małe transformatory jednofazowe instaluje się w zasilaczach
urządzeń elektronicznych. Autotransformatory wykorzystywane są przede wszystkim do
nastawiania napięcia oraz w układach rozruchowych silników. Specjalnie wykonane
transformatory
pomiarowe
zwane
przekładnikami
wykorzystuje
się
w
układach
przeznaczonych do pomiarów dużych napięć i prądów w elektroenergetyce. W warunkach,
gdzie trzeba zachować duże środki bezpieczeństwa z uwagi na możliwość wystąpienia
porażenia elektrycznego (duża wilgotność, zapylenie itp.) stosuje się do zasilania urządzeń
specjalnie wykonane transformatory bezpieczeństwa przekształcające napięcie 230 V na 24 V.
4.5.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co to jest transformator?
2. Jakie są elementy budowy transformatora?
3. Od czego zależy wartość napięcia wyjściowego transformatora?
4. Co to jest przekładnia transformatora?
5. Czym różni się autotransformator od transformatora?
6. Jakim symbolem zaznacza się transformator na schematach elektrycznych?
7. Wymień zastosowania transformatorów?
4.5.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Oblicz napięcie wyjściowe transformatora przyłączonego do sieci energetycznej o napięciu
230 V, jeżeli liczba zwojów uzwojenia pierwotnego wynosi 1000, a liczba zwojów uzwojenia
wtórnego wynosi 100.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
35
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzór,
3) zapisać zależność na wartość napięcia wyjściowego transformatora,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4,
−
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 2
Oblicz przekładnie transformatora przyłączonego do sieci energetycznej 230 V jeżeli
napięcie wtórne wynosi 10 V.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzór,
3) zapisać zależność na wartość przekładni transformatora transformatora,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4.
Ćwiczenie 3
Dla transformatora sieciowego znajdującego się na stanowisku wyznacz na podstawie
pomiarów jego napięć przekładnie tego transformatora.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać zjawisko,
2) odszukać wzór,
3) dokonać pomiarów korzystając woltomierza,
4) wykonać obliczenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
woltomierz prądu przemiennego,
−
transformator sieciowy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
36
4.5.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
wyjaśnić zasadę działania transformatora?
2)
narysować symbol transformatora?
3)
narysować symbol autotransformatora?
4)
oblicz przekładnie transformatora?
5)
obliczyć napięcie wtórne znając przekładnie transformatora i jego
napięcie pierwotne?
6)
wymienić elementy budowy transformatora?
7)
wskazać obszary zastosowania transformatorów?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
37
4.6. Maszyny elektryczne prądu stałego i zmiennego
4.6.1. Materiał nauczania
Maszyna elektryczna to maszyna zmieniająca energię elektryczną w energię mechaniczną
(silnik) lub odwrotnie (prądnica, generator elektryczny) albo zmieniająca parametry energii
(transformator, przesuwnik fazowy).
Podział maszyn elektrycznych:
−
maszyny synchroniczne,
−
maszyny indukcyjne (asynchroniczne),
−
maszyny prądu stałego (komutatorowe),
−
transformatory.
Dodatkowo wyróżniamy oddzielną kategorie, tzw. elektromaszynowe elementy
automatyki, w której skład wchodzą maszyny projektowane pod kątem realizacji konkretnych
zadań w układach automatyki, robotyki, mechanizmach precyzyjnych, itp.
Rys. 20. Przykładowe silniki elektryczne [9]
Silniki asynchroniczne (indukcyjne) prądu przemiennego.
Silniki indukcyjne buduje się w dwóch odmianach:
a. trójfazawe,
b. jednofazowe.
Silniki indukcyjne trójfazowe.
Zasada działania silnika indukcyjnego trójfazowego polega na wykorzystaniu wirującego
pola magnetycznego powstającego w wyniku nakładania się na siebie zmiennych pól
magnetycznych wytwarzanych przez poszczególne uzwojenia stojana. Pole oddziałuje na
przewody nieruchomego na początku wirnika indukując siłę elektromotoryczną i w efekcie
przepływ prądu. Przewody uzwojeń wirnika, w których płyną zaindukowane prądy są
wprawiane w ruch dzięki wirującemu polu magnetycznemu i w efekcie wirnik obraca się za
polem magnetycznym.
Uzwojenia wirnika mogą być wewnętrznie połączone (zwarte – silnik zwarty) lub ich
końcówki są przyłączone do pierścieni ślizgowych przekazujących przez szczotki prąd na
zewnątrz silnika (silnik pierścieniowy). W silnikach klatkowych uzwojenia wirnika otrzymuje
się poprzez zalanie klatki aluminium, bądź (szczególnie w silnikach większych mocy) klatka
wykonana jest ze spawanych mosiężnych prętów.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
38
Rys. 21. Wirnik silnika klatkowego [9]
Silniki te są powszechnie stosowane w przemyśle, rzemiośle, rolnictwie, gospodarstwie
domowym i itp. Silniki indukcyjne stanowią ok. 90 % wszystkich rodzajów silników
elektrycznych używanych w przemyśle. W sieci energetycznej w Polsce prąd elektryczny ma
częstotliwość 50 Hz co odpowiada prędkości synchronicznej 3000 obrotów na minutę,
a obroty znamionowe silnika asynchronicznego wynoszą 2800–2900 obr/min.
Najpopularniejsze są silniki o dwóch parach biegunów, których obroty synchroniczne
wynoszą 1500 obr/min, zaś znamionowe 1410–1480 obr/min. Największymi wadami silnika
asynchronicznego jest brak bezpośredniej możliwości regulacji prędkości obrotowej,
a w silnikach klatkowych także gwałtowny rozruch. Obecnie powszechnie stosowanym
rozwiązaniem, mającym na celu ograniczenie prądu podczas rozruchu, jest podłączanie
uzwojeń silnika na czas rozruchu w gwiazdę, a po uzyskaniu właściwych obrotów –
przełączenie w trójkąt. Połączenie w gwiazdę zmniejsza moc silnika i może być stosowane
także podczas pracy silnika jeżeli nie ma zapotrzebowania na moc.
Rys. 22. Połączenie końcówek uzwojeń silnika idukcyjnego w gwiazdę i w trójkąt [8]
Wraz z rozwojem elektroniki, a w szczególności tranzystorów mocy, triaków
i mikroprocesorów, zaczęto stosować układy łagodnego rozruchu (soft start) oraz regulować
prędkość obrotową przemiennikami częstotliwości. Rozwój technologiczny i spadek kosztów
układów falownikowych są przyczyną coraz częstszego stosowania tego typu urządzeń dla
silników klatkowych.
Jednofazowe silniki indukcyjne.
Jednofazowy silnik indukcyjny składa się ze stojana o dwóch uzwojeniach (głównego
i rozruchowego) i wirnika klatkowego. Uzwojenie rozruchowe (pomocnicze) jak sama nazwa
wskazuje jest włączane tylko na czas rozruchu silnika na przykład za pomocą wyłącznika
odśrodkowego.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
39
Rys. 23. Schemat połączeń uzwojeń silnika indukcyjnego jednofazowego
W silnika indukcyjnych jednofazowych bardzo małej mocy dla zapewnienia rozruchu
stosuje się w stojanie kilka oddzielnych zwartych zwojów.
Rys. 24. Silniki indukcyjne jednofazowe [9]
Jednofazowe silniki indukcyjne małej mocy znajdują powszechne zastosowanie
w układach i urządzeniach wentylacji domowej takich jak: wentylatory ścienne i przelotowe,
okapy kuchenne oraz w innych drobnych napędach wentylacyjnych (np. sprzęt komputerowy).
Ponadto stosuje się je w drobnym sprzęcie AGD (sprężarki lodówek, pralki,
termowentylatory, termokonwektory, itp.). W przemyśle stosuje się je w układach automatyki
oraz w przenośnych narzędziach ręcznych.
Maszyny komutatorowe prądu stałego i prądu przemiennego.
Drugą ważną grupę wśród maszyn elektrycznych stanowią maszyny komutatorowe.
Charakterystycznym elementem tych maszyn jest komutator. W maszynach prądu stałego
komutator umożliwia przekształcenie prądu stałego na przemienny (silnik) i odwrotnie – prądu
przemiennego na stały (prądnica). Pośród prądnic prądu stałego można wyróżnić:
−
prądnice z magnesami trwałymi,
−
prądnice obcowzbudne,
−
prądnice samowzbudne (szeregowe, bocznikowe, szeregowo-bocznikowe).
Większe zastosowanie od prądnic prądu stałego znalazły współcześnie silniki prądu
stałego. Rozróżnia się następujące rodzaje silników prądu stałego:
−
szeregowy,
−
bocznikowy,
−
szeregowo-bocznikowy,
−
obcowzbudny,
−
z magnesami trwałymi.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
40
Rys. 25. Schemat połączeń uzwojeń silnika komutatorowego szeregowego
A1,A2 – uzwojenie wirnika, F1,F2 – uzwojenie stojana
Silników szeregowych prądu stałego używa się jako rozruszników w samochodach,
silników napędowych lokomotyw elektrycznych i trolejbusów i tramwajów. Inne silniki prądu
stałego znalazły zastosowanie w urządzeniach techniki samochodowej (wycieraczki,
mechanizmy wykonawcze) oraz w automatyce.
Silniki komutatorowe prądu przemiennego są przeznaczone najczęściej do zasilania z sieci
jednofazowej. Konstrukcyjnie są one zbliżone do silników szeregowych prądu stałego, z tym
że zarówno stojan i wirnik wykonane są z blach. Silniki te charakteryzują się dość dużym
momentem rozruchowym i dużą prędkością obrotową sięgająca wartości 9000 obr/min. Silniki
te znalazły szerokie zastosowanie w sprzęcie gospodarstwa domowego (miksery, odkurzacze
itp.)
Maszyny synchroniczne.
To przede wszystkim prądnice synchroniczne wytwarzające prąd elektryczny
w elektrowniach o mocach znamionowych do 500 MVA. Prądnica synchroniczna z układem
prostowniczym zwana alternatorem stanowi źródło energii elektrycznej podczas pracy silnika
spalinowego w samochodzie. Silniki synchroniczne małych mocy mogą być wykorzystywane
jako elementy wykonawcze w automatyce, gdzie wymagana jest duża stałość prędkości
obrotowej niezależnie od obciążenia silnika.
4.6.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Przedstaw klasyfikacje maszyn elektrycznych prądu stałego i zmiennego?
2. Na jakiej zasadzie działa silnik indukcyjny trójfazowy?
3. Który z silników indukcyjnych znalazł szerokie zastosowanie i dlaczego?
4. Jaką maksymalną prędkość obrotową mogą osiągnąć silniki indukcyjne zasilane
bezpośrednio z sieci energetycznej?
5. Po co stosuje się przełącznik gwiazda trójkąt?
6. Ile uzwojeń posiada w stojanie silnik indukcyjny jednofazowy?
7. Gdzie znalazł zastosowanie silnik indukcyjny jednofazowy?
8. Jak dzielimy silniki prądu stałego?
9. Wymień najważniejsze zastosowania silników prądu stałego?
10. Wymień najważniejsze zastosowania silników komutatorowych prądu przemiennego?
11. Jakie jest główne zastosowanie maszyn synchronicznych?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
41
4.6.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Dokonaj demontażu silnika klatkowego trójfazowego małej mocy. Wskaż uzwojenie
stojana i uzwojenie wirnika. W co (w gwiazdę czy w trójkąt ) jest połączone uzwojenie
stojana?
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać odpowiednie rysunki,
2) zdemontować model silnika,
3) wskazać uzwojenie stojana i wirnika,
4) rozpoznać układ połączenia uzwojenia stojana np. na podstawie połączeń na tabliczce
znamionowej.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
łatwy w demontażu model silnika klatkowego,
−
niezbędne narzędzia do demontażu.
Ćwiczenie 2
Silniki małej mocy podziel na trzy grupy, przy każdej grupie umieść nazwy tych silników.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać odpowiednie rysunki i cechy poszczególnych silników w poradniku dla ucznia,
2) odszukać silnik mający te cechy,
3) umieścić nazwę silnika przy zidentyfikowanym silniku,
4) sprawdzić następne silniki, czy mają takie cechy jak poprzednie,
5) jeżeli nie to odnaleźć cechy kolejnej grupy silników i wrócić do punktu 2,
6) postępować tak aż wszystkie silniki zostaną nazwane.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
różne silniki elektryczne małej mocy,
−
kartki A4,
−
pisak.
Ćwiczenie 3
Znajdź cechy które odróżniają silnik komutatorowy prądu przemiennego od silnika
komutatorowego prądu stałego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać odpowiednie rysunki i cechy poszczególnych silników w poradniku ucznia,
2) zidentyfikować silniki,
3) wypisać na kartce różnicę pomiędzy tymi silnikami.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
42
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
silnik komutatorowy prądu stałego i silnik komutatorowy prądu przemiennego małej
mocy,
−
kartki A4,
−
pisak.
4.6.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1)
przedstawić klasyfikację ogólną maszyn elektrycznych?
2)
wskazać zastosowanie poszczególnych maszyn elektrycznych?
3)
rozróżnić poszczególne maszyny między sobą?
4)
wskazać wady i zalety silników klatkowych?
5)
określić w przybliżeniu prędkości obrotowe silników przy
bezpośrednim zasilaniu z sieci energetycznej?
6)
wyjaśnić co to jest alternator?
7)
rozróżnić silniki komutatorowe prądu stałego od silników
komutatorowych prądu przemiennego?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
43
4.7. Podstawy napędu elektrycznego
4.7.1. Materiał nauczania
Napęd elektryczny to zespół połączonych ze sobą i oddziaływujących na siebie wzajemnie
elementów przetwarzających energię elektromechaniczną w procesie technologicznym.
Rys. 26. Uproszczony schemat elektrycznego układu napędowego [8]
Elementy napędu elektrycznego:
−
układ zasilający – przekształca energię elektryczną pobieraną z sieci i dostarcza ją do
silnika – np. prostownik sterowany
−
silnik elektryczny (lub kilka silników) – przekształca doprowadzoną energię elektryczną na
energię mechaniczną,
−
urządzenie pędne – przekazuje energię mechaniczną wytworzoną przez silnik do maszyny
roboczej, może także zmieniać parametry przekazywanej energii mechanicznej, tj.
moment, prędkość kątowa – np. sprzęgło, przekładnia zębata, przekładnia pasowa,
−
urządzenia sterowania i automatyki – stosowane napęd ma być sterowany automatycznie.
Napęd elektryczny zasila z reguły maszynę roboczą, która jest odbiornikiem energii
mechanicznej wytwarzanej przez napęd.
Dobór silnika elektrycznego.
Odpowiedni dobór silnika elektrycznego do napędu maszyny roboczej jest najistotniejszym
zagadnieniem napędu elektrycznego.
Przy doborze i zamawianiu silnika chodzi o możliwie dokładne zestawienie wszystkich
warunków, jakim ma odpowiadać silnik. Przede wszystkim ustala się dane znamionowe silnika
podawane na tabliczce znamionowej, w którą powinien być zaopatrzony każdy silnik. Do
danych tych należą: rodzaj prądu, napięcie, moc, prędkość obrotowa, a przy silnikach prądu
przemiennego także częstotliwość i współczynnik mocy. Obok tych danych należy jeszcze
rozpatrzyć warunki, w jakich silnik ma pracować. Należą do nich:
−
charakter sieci, do której silnik ma być przyłączony, a więc sieć publiczna czy też
wewnętrzno – zakładowa (chodzi tu o ograniczenie prądu rozruchowego), napięcie sieci
z uwzględnieniem przewidywanych jego odchyleń od wartości znamionowej,
−
dane określające charakter pomieszczenia, w którym silnik będzie pracował, i sposób jego
ustawienia (przenośny, przewoźny, ustawiony na stałe na fundamencie lub zawieszony,
albo też wbudowany do maszyny napędzanej), warunki występujące w pomieszczeniu
wilgoć, pył, gazy wybuchowe, wyziewy żrące,
−
dane określające urządzenia napędzane – rodzaj przemysłu, charakterystyki procesu
technologicznego i maszyny napędzanej,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
44
−
charakterystyka układu napędowego – przebieg obciążenia, rodzaj pracy – ciągła,
dorywcza, przerywana, częstość włączeń, prędkość obrotowa – stała, zmienna z podaniem
zakresu regulacji, warunki rozruchowe, hamowanie, zmiana kierunku wirowania,
−
sprzęgnięcie silnika – bezpośrednie z podaniem rodzaju sprzęgła, napęd pasowy czy też
przekładnia zębata, wymiary wału napędowego, położenie wału,
−
obsługa silnika, rodzaj sterowania, zabezpieczeń.
Ponadto przy wyborze silnika należy brać pod uwagę istniejące normy i przepisy. Napięcie
silnika dobiera się do napięcia istniejącego w zakładowej sieci elektrycznej. Ważnym zadaniem
jest dobór mocy znamionowej silnika oraz prędkości obrotowej. Zainstalowanie silnika o
nieodpowiednio dobranej mocy może stać się przyczyną dodatkowych strat energii, a tym
samym zbędnych kosztów. Zainstalowanie natomiast silnika zbyt małej mocy może być
przyczyną częstych przerw w pracy silnika na skutek odłączenia go przez urządzenia
zabezpieczające albo w braku właściwie wyregulowanych zabezpieczeń może nastąpić
przegrzanie silnika i jego uszkodzenie. Moc znamionowa silnika musi więc być tak dobrana, by
w danych warunkach pracy silnik nie nagrzewał się nadmiernie i by moment maksymalny
silnika był większy od momentu maksymalnego przewidywanego obciążenia silnika. Ten drugi
warunek przewiduje dodatkową właściwość – przeciążalność, jaką powinien mieć dobrany
silnik. Prędkość obrotowa silnika, w przypadku gdy wał silnika ma być bezpośrednio
sprzęgnięty z wałem maszyny napędzanej, powinna być możliwie bliska prędkości obrotowej
maszyny napędzanej. Jeżeli występują trudności w dobraniu odpowiedniej prędkości obrotowej
silnika ze względu na znaczną różnicę w stosunku do prędkości obrotowej maszyny
napędzanej, stosuje się przekładnię zębatą lub pasową, której przełożenie ma się równać
stosunkowi prędkości obrotowych silnika i maszyny napędzanej.
Charakterystyki mechaniczne silników elektrycznych oraz napędzanych urządzeń
Charakterystyką mechaniczną silnika elektrycznego nazywamy zależność prędkości
kątowej silnika od wytwarzanego momentu. Rozróżnia się trzy rodzaje charakterystyk
wynikające z zasady działania maszyn elektrycznych:
−
synchroniczna,
−
bocznikowa,
−
szeregowa.
Charakterystyka mechaniczna silnika zależy od rodzaju silnika i jego parametrów
konstrukcyjnych.Charakterystykę idealnie sztywna mają silniki synchroniczne, dla których
prędkość obrotowa silnika n jest niezależna od momentu oporowego M w zakresie od zera do
wartości maksymalnej, po przekroczeniu której silnik wypada z synchronizmu.
Charakterystykę sztywną mają silniki indukcyjne, silniki bocznikowe prądu stałego oraz
bocznikowe komutatorowe prądu przemiennego. Charakteryzują się one niewielka zależnością
prędkości obrotowej od momentu oporowego. Charakterystykę miękką mają silniki szeregowe
prądu stałego i silniki szeregowe komutatorowe prądu przemiennego, które charakteryzuje
silna zależność prędkości obrotowej od momentu oporowego. Rozróżnia się charakterystyki
naturalne i sztuczne.
Charakterystyką naturalną nazywa się taką charakterystykę, którą wyznacza się przy
znamionowym napięciu zasilającym twornik silnika. Dla innych napięć charakterystyki nazywa
się sztucznymi. Wykres zależności momentu oporowego lub siły oporowej maszyny roboczej
od jej prędkości kątowej lub liniowej nazywa się charakterystyką mechaniczną maszyny
roboczej.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
45
4.7.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co nazywamy napędem elektrycznym?
2. Wymień elementy napędu elektrycznego?
3. Co jest najistotniejszym zagadnieniem napędu elektrycznego?
4. Co zaliczamy do danych znamionowych silnika?
5. Jakie warunki muszą być spełnione przy doborze mocy silnika?
6. Czym trzeba pamiętać przy doborze silnika pod względem prędkości obrotowej?
7. Co nazywamy charakterystyką mechaniczną?
8. Wymień trzy rodzaje charakterystyk mechanicznych silników elektrycznych?
9. Co nazywamy charakterystyką idealnie sztywną?
10. Co to jest charakterystyka sztywna?
11. Co nazywamy charakterystyką miękką?
12. Co nazywamy charakterystyką mechaniczną maszyny roboczej?
4.7.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Uzupełnij podany schemat blokowy układu napędowego (Rys. 26):
Rys. 27. Rysunek do ćwiczenia 1
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać odpowiednie rysunki,
2) porównać rysunek z zadania z rysunkiem z poradnika dla ucznia,
3) wpisać właściwe nazwy.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
arkusz A4 ze schematem,
−
pisaki.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
46
Ćwiczenie 2
Uzupełnij osie układu współrzędnych dla charakterystyki idealnie sztywnej:
Rys. 28. Charakterystyka dla ćwiczenia 2
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) oznaczyć odpowiednio osie, tak by spełniały warunki opisu.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
długopis.
Ćwiczenie 3
Określ jakie silniki elektryczne mają charakterystykę idealnie sztywną. Wypisz je:
−
−
−
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) znaleźć odpowiedni opis w poradniku ucznia,
2) wypisać obok myślników nazwy tych silników.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
4.7.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) wymienić elementy układu napędowego?
2) wymienić dane znamionowe silnika elektrycznego?
3) wskazać gdzie znajdują się dane znamionowe silnika elektrycznego?
4) wyjaśnić nazwę charakterystyka mechaniczna?
5) wymienić silniki elektryczne o charakterystyce sztywnej?
6) wskazać silnik posiadający charakterystykę idealnie sztywną?
7) wymienić
rodzaje
charakterystyk
mechanicznych
silników
elektrycznych?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
47
4.8
Grzejnictwo elektryczne
4.8.1. Materiał nauczania
Klasyfikacja elektrycznych źródeł ciepła.
W
elektrycznych
urządzeniach
grzejnych,
zwanych
także
urządzeniami
elektrotermicznymi, stosuje się różne metody przetworzenia energii elektrycznej na cieplną.
Niewątpliwie
najpowszechniejsze
są
rezystancyjne
urządzenia
grzejne,
używane
w gospodarstwie domowym (w urządzeniach takich jak np. kuchenka elektryczna, żelazko,
czajnik elektryczny) i w przemyśle. W zastosowaniach przemysłowych często spotyka się
urządzenia grzejne elektrodowe, łukowe, indukcyjne i pojemnościowe wykorzystywane
w różnych procesach technologicznych. Mikrofalowe urządzenia grzejne upowszechniły się
w ostatnich latach, znajdując zastosowanie w gospodarstwie domowym i gastronomii. Do
elektrycznych
urządzeń
grzejnych
zalicza
się
także
urządzenia
promiennikowe,
ultradźwiekowe, elektronowe, laserowe i plazmowe.
Rezystancyjne urządzenia grzejne
Zasada działania rezystancyjnych urządzeń grzejnych polega na wykorzystaniu ciepła
wydzielającego się podczas przepływu prądu przez specjalne elementy grzejne lub
bezpośrednio przez nagrzewany materiał. Przykłady rezystancyjnych urządzeń grzejnych
spotykane w gospodarstwie domowym to: kuchenka elektryczna, czajnik elektryczny, grzałka
nurkowa, prodiż, piec akumulacyjny, termowentylator, kaloryfer olejowy, elektryczne
ogrzewanie podłogowe, suszarka do włosów, żelazko, grzałki pralek i zmywarek. Pośród
rezystancyjnych urządzeń grzejnych stosowanych w przemyśle wyróżnia się dwa podstawowe
rodzaje: urządzenia o działaniu pośrednim i urządzenia o działaniu bezpośrednim. Do urządzeń
o działaniu bezpośrednim zalicza się piece przelotowe i nieprzelotowe oraz suszarki.
Urządzenia o działaniu bezpośrednim to nagrzewnice i piece o działaniu bezpośrednim,
w których prąd elektryczny przepływa bezpośrednio przez wsad nagrzewając go.
W rehabilitacji i terapii cieplnej duża zastosowanie mają np. elektryczne maty grzewcze, koce
grzewcze itp
.
Elektrodowe urządzenia grzejne.
Elektrodowe urządzenia grzejne funkcjonują na zasadzie wykorzystania ciepła
wydzielającego się podczas przepływu prądu elektrycznego przez ciecz. Przykładami
elektrodowych urządzeń grzejnych są kotły elektrodowe: wodne i parowe, stosowane m. in.
w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym oraz lecznictwie, gdzie konieczne jest uzyskanie
pary wodnej o dużej czystości. Do elektrodowych urządzeń grzejnych zalicza się także piece
elektrodowe przeznaczone do obróbki cieplnej niewielkich przedmiotów metalowych. Inny
przykład stanowią termoelektrolizery wykorzystywane do otrzymywania aluminium z tlenków
glinu oraz do rafinacji aluminium.
Łukowe urządzenia grzejne
Urządzenia łukowe dzielą się na urządzenia o działaniu łuku:
−
pośrednim,
−
bezpośrednim.
W pierwszych z nich łuk występuje między elektrodami w pewnej odległości od wsadu,
nagrzewając go głównie przez promieniowanie.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
48
W praktyce częściej wykorzystywane są urządzenia o łuku bezpośrednim, w których łuk
powstaje między wsadem a elektrodą, wobec czego następuje bezpośrednie przekazywanie
ciepła łuku na wsad, który stanowi jedną z elektrod. W piecach łukowych wykorzystuje się
zarówno łuk prądu stałego jak i prądu przemiennego 50 Hz.
Nagrzewanie łukowe wykorzystywane jest głównie w procesach bezkomorowego
nagrzewania wsadów w sposób pośredni i komorowego nagrzewania wsadów w sposób
pośredni lub pośrednio – bezpośredni. Stosuje się go także w procesach wymagających
topienia metali i innych materiałów trudnotopliwych oraz w procesach chemicznych
wymagających wysokiej temperatury.
Indukcyjne urządzenia grzejne.
Urządzenia (nagrzewnice i piece) indukcyjne wykorzystują ciepło wytwarzane przy
przepływie indukowanego prądu przewodzenia (prądów wirowych) o częstotliwości od
kilkunastu Hz do kilkudziesięciu MHz. Metodę tę stosuje się do nagrzewania bezpośredniego
oraz pośredniego. Możliwe jest nagrzewanie powierzchniowe, skrośne oraz topienie.
Nagrzewanie indukcyjne stosuje się w obróbce plastycznej do hartowania i wyżarzania, gdyż
daje możliwość wyrównania temperatury wsadu np. rur, kotłów.
Nagrzewanie indukcyjne wykorzystywane jest ponadto do hartowania, zgrzewania
i topienia metali. Do topienia metali używa się pieców indukcyjnych kanałowych lub
tyglowych, w których metal jest odpowiednikiem uzwojenia wtórnego transformatora. Na Rys.
29 pokazana jest zasada działania pieca indukcyjnego rdzeniowego, w którym wsad
umieszczony w pierścieniowym korycie z materiału ogniotrwałego spełnia rolę uzwojenia
wtórnego.
Rys. 29.
Zasada działania pieca indukcyjnego rdzeniowego: [8] 1 – wzbudnik, 2 –
wsad, 3 – korytko pierścieniowe, 4 – rdzeń
Moc urządzeń indukcyjnych wynosi od kilkuset kVA do kilkudziesięciu MW, a ich
sprawność sięga 70%. Urządzenia indukcyjne charakteryzują się na ogół niskimi własnymi
współczynnikami mocy, muszą więc pracować z baterią kondensatorów.
Pojemnościowe i mikrofalowe urządzenia grzejne.
W pojemnościowych urządzenia grzejnych wykorzystano zjawisko polegające na
wydzielaniu się w dielektryku ciepła strat dielektrycznych. Nagrzewany materiał dielektryczny
jest umieszczony pomiędzy okładkami kondensatora, do których doprowadza się zmienne
napięcie elektryczne o dużej częstotliwości. Praktyczne zastosowania tego zjawiska to:
produkcja wyrobów z tworzyw sztucznych, produkcja sklejek oraz płyt wiórowych, suszenie
drewna, wulkanizacja kauczuku, topienie i spajanie szkła, suszenie połączeń klejonych,
pasteryzacja mleka, sterylizacja zboża i mąki oraz innych środków, a także odmrażanie
owoców. W gospodarstwie domowym i gastronomii powszechnie stosowane są obecnie
kuchenki mikrofalowe, stanowiące odmianę pojemnościowych urządzeń grzejnych. Ich zasada
działania polega na wydzielaniu się ciepła na skutek oddziaływania fal elektromagnetycznych
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
49
wysokiej częstotliwości (mikrofal) na żywność. Umożliwiają one bardzo szybkie ogrzanie
potrawy na całej jej objętości.
Promiennikowe urządzenia grzejne.
Promiennikowe urządzenie grzejne funkcjonują na zasadzie pochłaniania promieniowania
podczerwonego przez ogrzewany obiekt. Zaletą tego rodzaju ogrzewania jest to, że
promiennik może być umieszczony w stosunkowo dużej odległości od ogrzewanego obiektu,
ponieważ powietrze stanowi znikomą przeszkodę dla promieniowania podczerwonego.
Promienniki ciepła wykorzystywane są w przemyśle do suszenia świeżo naniesionych powłok
lakierniczych, a także do suszenia tkanin i skór. W rolnictwie używa się promienników do
ogrzewania pomieszczeń dla młodych zwierząt.
Inne urządzenia grzejne:
−
urządzenia ultradźwiekowe, wytwarzające drgania o wysokiej częstotliwości, których
energia jest przetwarzana w ciepło,
−
urządzenia elektronowe, działające na zasadzie wykorzystywania ciepła powstającego
podczas bombardowania ciała umieszczonego w próżni strumieniem elektronów,
−
urządzenia laserowe, funkcjonują na zasadzie wykorzystania ciepła wydzielanego
w materiale na skutek oddziaływania nań wiązki promieniowania elektromagnetycznego
pochodzącej z lasera,
−
urządzenia plazmowe, działające na zasadzie wykorzystania płomienia plazmowego
powstałego na skutek nagrzania strumienia gazu łukiem elektrycznym.
4.8.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Wymień metody przetwarzania energii elektrycznej w energię cieplną?
2. W oparciu o jaką metodę działa najwięcej urządzeń grzejnych?
3. Na jakiej zasadzie działają rezystancyjne urządzenia grzejne?
4. Do czego wykorzystywane są elektrodowe urządzenia grzejne?
5. Jak powstaje ciepło w elektrodowych urządzenia grzejnych?
6. Dzięki czemu powstaje ciepło w łukowych urządzeniach grzewczych?
7. Zasadę działania jakiego urządzenia elektrycznego wykorzystuje się w indukcyjnej
metodzie grzewczej?
8. Na czym polega pojemnościowe i mikrofalowe wytwarzanie ciepła?
9. Na czym polega i do czego jest wykorzystywane promiennikowe otrzymywanie ciepła?
10. Jakie znasz inne metody wytwarzania ciepła oprócz wcześniej wymienionych i na czym
one polegają?
4.8.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Określ metodę wykorzystywaną do grzania wody w czajniku elektrycznym.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) opracować i przedstawić właściwą odpowiedź.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
50
Ćwiczenie 2
Co przedstawia rysunek umieszczony poniżej? Nazwij jego elementy składowe.
Rys. 30. Rysunek dla ćwiczenia 2.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) opisać poszczególne oznaczenia na rysunku.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
Ćwiczenie 3
Przyporządkuj poniższe urządzenia i procesy do metod grzewczych: czajnik elektryczny,
suszenie powłok lakierniczych, topienie złomu jubilerskiego, ogrzewanie potraw na całej
objętości, wytwarzanie pary wodnej o dużej czystości, pasteryzacja mleka.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiednie opisy,
2) dla poszczególnych urządzeń i procesów obok napisać właściwą metodę grzewczą.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
4.8.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) wymienić metody przetwarzania energii elektrycznej w energię
cieplną?
2) określić poszczególne metody przetwarzania energii elektrycznej
w energię cieplną?
3) określić jedno zastosowanie każdej omawianej metody?
4) przyporządkować proces wytwarzania energii cieplnej do określonej
metody?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
51
4.9. Oświetlenie elektryczne
4.9.1. Materiał nauczania
Podział źródeł światła.
Ze względu na wykorzystywane zjawiska fizyczne przy wytwarzaniu światła w lampach
elektrycznych można wyróżnić:
−
lampy żarowe (żarówki), w których wykorzystuje się świecenie nagrzanego drutu
wolframowego,
−
ampy fluorescencyjne (świetlówki), w których wykorzystuje się zjawisko fluorescencji, tj.
świecenie pewnych substancji chemicznych pod działaniem promieni ultrafioletowych
i elektronów,
−
lampy wyładowcze (rtęciowe, sodowe, neonowe, ksenonowe), w których wykorzystuje
się świecenie gazu pod wpływem wyładowań elektrycznych (przepływu prądu
elektrycznego przez gaz),
−
lampy o świetle mieszanym, w których wykorzystuje się do otrzymania światła dwa
zjawiska fizyczne, zwykle świecenie gazu pod wpływem wyładowań elektrycznych
i świecenia ciał stałych pod wpływem wysokiej temperatury (lampy rtęciowo – żarowe,
lampy łukowe).
Właściwości eksploatacyjne źródła światła określa się podając:
−
skuteczność świetlną źródła światła, tj. stosunek strumienia świetlnego źródła (w lm) do
pobieranej mocy elektrycznej (w W),
−
trwałość źródła światła określoną czasem (w h), w jakim źródło może pracować.
Żarówki
Rys. 31. Elementy budowy żarówki
Elementem świecącym w żarówce jest żarnik wykonany w postaci skrętki jedno – lub
dwuskrętnej z drutu wolframowego. Wolfram jest metalem o najwyższej temperaturze
topnienia, wynoszącej ok. 3380°C. Żarnik umieszczony jest w bańce szklanej, z której zostało
wypompowane powietrze. Żarówki o małej mocy (do 25 W) wykonuje się zwykle jako
próżniowe, a o mocach większych – jako gazowe. Bańka żarówki jest wtedy wypełniona
gazem – argonem lub kryptonem. Zastosowanie gazu w bańce zmniejsza intensywność
rozpylania wolframu żarnika. Poprawia to trwałość żarówki i umożliwia zastosowanie wyższej
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
52
temperatury żarnika. Trwałość żarówek do ogólnych celów oświetleniowych (tzw. żarówek
głównego szeregu) wynosi ok. 1000 h. Jest to czas, po którym żarnik ulega przepaleniu, lub po
którym strumień świetlny żarówki zmaleje do 80% strumienia początkowego. Oprócz żarówek
do ogólnych celów oświetleniowych produkuje się cały szereg żarówek specjalnych, jak:
sygnalizacyjne, iluminacyjne, samochodowe, górnicze i inne. Wprowadzenie do bańki żarówki
jodu lub bromu (żarówki halogenowe) zmniejsza zużywanie się żarnika i umożliwia znaczne
zwiększenie wydajności świetnej żarówek (żarówki samochodowe i projektorowe). Żarówki
halogenowe coraz częściej znajdują zastosowanie do oświetlania wnętrz budynków
mieszkalnych i użytkowych. Podczas wymiany żarówki halogenowej nie powinno się dotykać
jej bańki palcami. Kropelki potu czy też tłuszczu przeniesione ze skóry mogą po włączeniu i
rozgrzaniu żarówki uszkodzić szkło kwarcowe, z którego wykonana jest bańka.
Świetlówki
Rys. 32. Budowa świetlówki
Świetlówka składa się z rury szklanej, w której następują wyładowania elektryczne pomiędzy
dwiema elektrodami pokrytymi warstwą aktywną. Wnętrze wypełnia argon i pary rtęci pod
niskim ciśnieniem. Przy wyładowanie elektrycznym (tj. przepływie prądu elektrycznego)
powstaje w rurze słabe promieniowanie widzialne i silne promieniowanie ultrafioletowe,
niewidzialne. Powierzchnia wewnętrzna rury pokryta jest mieszaniną odpowiednio dobranych
substancji chemicznych wykazujących właściwości fluorescencyjne, tworzące warstewkę
zwaną luminoforem. Pod wpływem padającego na luminofor niewidzialnego promieniowania
ultrafioletowego następuje świecenie luminoforu. Barwa światła zależy od składu chemicznego
luminoforu. Świetlówki wymagają współdziałania dodatkowych urządzeń przy pracy. Schemat
przyłączenia świetlówki do instalacji elektrycznej przedstawia rysunek 33.
Rys. 33. Układ pracy świetlówki
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
53
Skuteczność świetlna świetlówek jest znacznie wyższa niż żarówek. Korzystną cechą
świetlówek jest mała luminacja, co umożliwia ich stosowanie bez kloszy rozpraszających
światło. Trwałość świetlówek wynosi 3000 do 6000 h, zależnie od liczby włączeń.
Świetlówka zasilana napięciem przemiennym o częstotliwości 50 Hz gaśnie i zapala się 100
razy w ciągu sekundy. Oko ludzkie nie reaguje na tak szybkie zmiany strumienia świetlnego.
Części wirujące maszyn mogą jednak wydawać się przy oświetleniu takim światłem
nieruchome lub też można odnieś wrażenie, że obracają się ze znacznie mniejszą prędkością
kątową. Jest to tzw. zjawisko stroboskopowe. Dla zmniejszenia niepożądanego zjawiska
stroboskopowego stosuje się specjalne układy pracy świetlówek eliminujące to zjawisko.
W ostatnich latach na rynku elektrycznych źródeł światła coraz bardziej popularne stają się
tzw. świetlówki kompaktowe. Nie wymagają one specjalnych opraw – mogą być wkręcane
w typowe oprawki przeznaczone dla żarówek. Tradycyjny układ zapłonnikowo – stabilizujący
został w nich zastąpiony przez specjalny układ elektroniczny, który między innymi zwiększa
częstotliwość napięcia roboczego.
Lampy rtęciowe.
Źródłem światła w lampach rtęciowych są wyładowania elektryczne w parach rtęci.
Elementem głównym lampy jest jarznik wykonany jako bańka ze szkła kwarcowego,
przepuszczającego promienie ultrafioletowe z dwiema elektrodami głównymi i jedną lub
dwiema elektrodami zapłonowymi. W bańce wypełnionej argonem lub neonem znajduje się
kropla rtęci. Neon lub argon wraz z parami rtęci silnie świecą przy przepływie prądu
elektrycznego, światłem zawierającym w dużej części promieniowanie ultrafioletowe. Jarznik
otacza bańkę zewnętrzną pokryta luminoforem, z której wypompowano powietrze. Luminofor
przetwarza promieniowanie ultra fioletowe wytworzone w jarzniku na światło widzialne.
Rys. 34. Układ pracy lampy rtęciowej [9]
Po przyłączeniu lampy do sieci rozpoczyna się wyładowanie między elektrodą zapłonową
i główną, a po pewnym czasie między elektrodami głównymi. Czas rozświetlania rtęciówek
jest długi, wynosi kilka minut. Rtęciówka wyłączona i ponownie włączona do sieci, zacznie
rozświecać się dopiero po częściowym ostygnięciu jarznika, praktycznie po kilku minutach od
włączenia. Właściwość ta stanowi wadę rtęciówek. Skuteczność świetlna rtęciówek jest
znacznie większa niż żarówek. Rtęciówki są mniej wrażliwe na zmiany napięcia niż żarówki.
Odchylenie napięcia o 5% od napięcia znamionowego zmienia strumień świetlny ok. 8%,
a trwałość lampy nie ulega praktycznie zmianie.
Lampy rtęciowo-żarowe
W bańce zewnętrznej lampy rtęciowo-żarowej znajduje się bańka ze szkła kwarcowego
z elektrodami głównymi i zapłonowymi (jarznik), analogicznie jak w lampie rtęciowej oraz
żarnik wolframowy podobny do używanych w żarówkach. Żarnik połączony szeregowo
z jarznikiem rtęciowym spełnia rolę stabilizatora, a ponadto koryguje barwę światła dodając
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
54
barwę żółtą i czerwoną. Lampa może być bezpośrednio włączona do sieci. Skuteczność
świetlna tych lamp jest niższa niż rtęciówek.
Oprawy oświetleniowe.
Elektryczne źródła światła instaluje się w oprawach oświetleniowych. Podstawowe
funkcje, jakie pełnią oprawy oświetleniowe to:
−
odpowiednie skierowanie strumienia świetlnego,
−
ochrona oczu przed tzw. olśnieniem,
−
ochrona źródła światła przed uszkodzeniami mechanicznymi, wilgocią, kurzem
i pyłem.
Oprawy oświetleniowe powinny spełniać także wymogi estetyki i pasować do wystroju
wnętrza, w którym są zainstalowane. W zakładach przemysłowych, w zależności od wymagań
obowiązujących w danym pomieszczeniu, często stosuje się oprawy pyłochłonne
i bryzgoodporne, przeciwwybuchowe i odporne na oddziaływanie substancji chemicznych.
Oświetlenie miejsca pracy.
Oświetlenie miejsca pracy musi spełniać szereg warunków, dzięki którym może ono
skutecznie zastąpić lub uzupełnić światło dzienne. Oświetlenie to powinno być w jak
największym stopniu zbliżone do światła dziennego. Powinno się unikać silnych kontrastów
czyli miejsc silnie oświetlonych sąsiadujących z miejscami ciemnymi.Oświetlenie nie powinno
powodować zjawiska olśnienia będącego skutkiem padania światła prosto w oczy lub odbijania
się od gładkiej powierzchni. Ważną cechą oświetlenia miejsca pracy jest to, aby nie
powodowało ono złudzeń optycznych np. efektu stroboskopowego występującego
w przypadku stosowania oświetlenia świetlówkami. Oświetlenie nie powinno również zmieniać
w sposób zasadniczy barw przedmiotów.
4.9.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jak dzielimy źródła światła ze względu na zjawiska w nich występujące?
2. Omów zasadę działania żarówki?
3. Jakie gazy stosuje się w żarówkach halogenowych?
4. Jaka jest różnica między zwykłą żarówką a żarówką halogenową?
5. Jaka jest zaleta świetlówek w porównaniu z żarówkami?
6. Jakie są wady układów oświetleniowych z świetlówkami?
7. Jakie lampy stosuje się w oświetleniu dróg i obiektów przemysłowych?
8. Do czego służy oprawa oświetleniowa?
9. Jakie warunki powinno spełniać oświetlenie miejsca pracy?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
55
4.9.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Dokończ opis rysunku.
Rys. 35. Rysunek do ćwiczenia 1.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) uzupełnić rysunek wpisując nazwy poszczególnych elementów żarówki.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
Ćwiczenie 2
Uzupełnij zdania:
a. Trwałość świetlówek zależy od....................... włączeń.
b. Trwałość żarówek maleje gdy jest.................napięcie zasilania od znamionowego.
c. Dużą trwałość żarówek halogenowych uzyskuje się dzięki wprowadzeniu do jej
wnętrza...............
d. Świetlówka kompaktowa świeci równie skutecznie jak................ o mocy o mocy 5 razy
większej.
e. Wadą lampy............ jest długi czas, jaki upływa od włączenia lampy do uzyskania pełnego
natężenia oświetlenia oraz to, że po wyłączeniu nie można włączyć jej natychmiast z
powrotem.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) dopisać właściwą odpowiedź.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
56
4.9.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) wymienić rodzaje źródeł światła?
2) scharakteryzować poszczególne rodzaje źródeł światła?
3) określić zastosowania poszczególnych źródeł światła?
4) określić funkcje jaką pełnią oprawy oświetleniowe?
5) podać jakie warunki powinno spełniać miejsce pracy?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
57
4.10. Instalacje elektryczne
4.10.1. Materiał nauczania
Rodzaje instalacji.
Instalacja elektryczna to zestaw połączonych ze sobą elementów elektrycznych
o skoordynowanych parametrach technicznych, przeznaczony do określonych celów.
W budynkach mieszkalnych wyróżnić można następujące rodzaje instalacji elektrycznych:
−
elektroenergetyczną, czyli służącą do zasilania odbiorców energią elektryczną,
−
telekomunikacyjną, zasilana przez określony zakład telekomunikacyjny i znajdującą się
w jego zarządzaniu,
−
informatyczną, znajdującą się pod nadzorem administratora danej sieci,
−
domofonową lub alarmową,
−
antenową, służącą do odbioru radiowo – telewizyjnego,
−
odgromową, służącą do ochrony budynku przed skutkami wyładowań atmosferycznych.
Instalacja elektroenergetyczna jest jednym z rodzajów instalacji elektrycznej, i służy ona
do zasilania w energię elektryczną maszyn, systemów i układów, umożliwiając ich prawidłowe
funkcjonowanie.
Instalacje elektroenergetyczne zależnie od rodzaju odbiorników elektrycznych dzieli się
na:
−
instalacje oświetleniowe, służące do zasilania źródeł światła i gniazd wtyczkowych do
przyłączenia odbiorników ruchomych małej mocy,
−
instalacje siłowe zasilające trójfazowe silniki, urządzenia elektrycznego ogrzewania
pomieszczeń i inne większej mocy.
W zależności od rodzaju obiektów budowlanych instalacje elektroenergetyczne można
podzielić na:
−
instalacje w budownictwie mieszkaniowym jedno i wielorodzinnym,
−
instalacje
w
budownictwie
ogólnym:
komunalnym,
w
obiektach
biurowych
i administracyjnych, w pomieszczeniach szkolnych, w budynkach użyteczności publicznej
(służbie zdrowia, w obiektach handlowych, bankach, kinach, itp.),
−
instalacje w rolnictwie,
−
instalacje przemysłowe (w zakładach przemysłowych, wytwórczych i wydobywczych).
Ze względu na przewidywany czas użytkowania instalacje elektroenergetyczne dzieli się
na:
−
instalacje stałe – w obiektach stałego użytkowania,
−
instalacje tymczasowe (prowizoryczne) – w obiektach prowizorycznych i na placach
budów.
Podstawowe określenia.
Przyłącze jest to linia łącząca zasilany obiekt z rozdzielczą siecią zasilającą. Przyłącze
może być wykonane jako napowietrzne lub kablowe, wykonane przewodami izolowanymi lub
gołymi.
Złącze jest to urządzenie zwykle rodzaj rozdzielnicy, łączące sieć elektroenergetyczną
z instalacją elektryczną w budynku, z którego instalacja ta jest zasilana energią elektryczną.
W złączu znajduje się główne zabezpieczenie elektryczne obiektu.
Z jednego złącza zasilana może być jedna lub więcej wewnętrznych linii zasilających.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
58
Złącze powinno być usytuowane w miejscu ogólnodostępnym, wewnątrz lub zewnątrz obiektu
i zabezpieczone przed dostępem osób niepowołanym.
W złączu dokonuje się najczęściej rozdziału przewodu ochronno – neutralnego PEN na
neutralny N i ochronny PE.
Wewnętrzna linia zasilająca (WLZ) – jest to zespół elementów instalacji stanowiący
połączenie między złączem instalacji elektrycznej a urządzeniem pomiarowym (urządzeniami
pomiarowymi), służący do rozdziału energii elektrycznej na poszczególne instalacje odbiorcze,
czyli część instalacji przewodząca nie mierzoną energię elektryczną; wielkość budynku i liczba
mieszkań warunkują wielkość i złożoność wewnętrznej linii zasilającej, w skład której mogą
wchodzić również rozdzielnice główne budynku.
Instalacja odbiorcza jest to zespół elementów instalacji elektrycznej wspólnie zasilanych
poprzez urządzenie pomiarowe i chronionych przed przetężeniami wspólnym zabezpieczeniem.
Rozdzielnica mieszkaniowa (tablica rozdzielcza mieszkaniowa) jest to urządzenie
zlokalizowane w mieszkaniu, zasilane jedną linią bezpośrednio z urządzenia pomiarowego,
w którym następuje rozdział energii elektrycznej na poszczególne obwody odbiorcze danej
instalacji odbiorczej; rozdzielnica mieszkaniowa grupuje zabezpieczenia przetężeniowe tych
obwodów, urządzenia różnicowoprądowe oraz niektóre urządzenia sterownicze instalacji
odbiorczej, jeśli jest ona w takie urządzenia wyposażona.
Przewody instalacyjne
.
Podstawowymi elementami przewodu instalacyjnego są żyły przeznaczone do
przewodzenia prądu elektrycznego. Wykonuje się je z drutów lub linek miedzianych (rzadziej
aluminiowych).
Przekroje
poprzeczne
żył przewodów elektrycznych stosowanych
w instalacjach są znormalizowane i w zakresie do 100 mm
2
wynoszą: 1; 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16;
25; 35; 50; 70 i 95. W instalacjach przemysłowych oprócz przewodów instalacyjnych
wykorzystuje się również kable i szynoprzewody.
Poszczególne typy przewodów mają swoje symbole literowe określające ich budowę:
−
DYt – przewód z drutu miedzianego w izolacji i powłoce polwinitowej, wtynkowy do
zastosowań w instalacjach wewnętrznych,
−
YDY 750, 3 x 4 – przewód trójżyłowy miedziany, na napięcie 750 V z żyłami, o przekroju
4 mm
2
każda, w izolacji z polwinitu, powłoka z polwinitu,
−
ALGa – przewód ogumowany, odporny na wpływy atmosferyczne i chemiczne, o żyle
z linki aluminiowej,
−
YKY 3 x 16 – kabel w powłoce polwinitowej z trzema żyłami miedzianymi o przekroju 16
mm
2
każda w izolacji polwinitowej.
Do oznaczania poszczególnych przewodów i żył przewodów wielożyłowych stosuje się
różne barwy izolacji. Przewód neutralny powinien mieć zawsze barwę jasnoniebieską,
a przewód ochronny – zielono – żółtą.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
59
Rys. 36. Schemat instalacji elektrycznej w budynku mieszkalnym wielorodzinnym
Łączniki występujące w instalacjach elektrycznych.
Łączniki w instalacjach elektrycznych pełnią bardzo ważną funkcję, polegającą na
załączaniu i wyłączaniu obwodów elektrycznych.
Łączniki wtyczkowe służą do załączania odbiorników przenośnych i ruchomych do
instalacji elektrycznej. Można nimi łączyć tylko obwody nieobciążone lub obciążone bardzo
małymi prądami. W instalacjach nieprzemysłowych stosuje się na ogół łączniki wtyczkowe
jednofazowe, których gniazda montuje się w puszkach wtynkowych lub podtynkowych albo na
powierzchni ściany. Przemysłowe łączniki wtyczkowe są zwykle łącznikami trójfazowymi
wyposażonymi w trzy, cztery lub pięć zestyków.
Rys. 37. Trójfazowa wtyczka o pięciu zestykach
Łączniki instalacyjne nieprzemysłowe służą do łączenia małych prądów w instalacjach
nieprzemysłowych. Stosuje się je głównie w obwodach instalacji oświetleniowych do
załączania i wyłączania elektrycznych źródeł światła (żarówek, świetlówek). Na ogół mają
jeden lub dwa przyciski, które działają na zestyki za pośrednictwem tzw. Urządzenia
migowego powodującego ich szybkie zamykanie i otwieranie dla ograniczenia skutków
działania tworzącego się łuku elektrycznego (iskrzenie). Wyłączniki instalacyjne bywają
wyposażone w neonówkę która świeci się, gdy źródło światła jest wyłączone (ułatwia to
znalezienie wyłącznika w ciemności) oraz w elektroniczny (tyrystorowy) regulator natężenia
oświetlenia. Łączniki instalacyjne wykonywane są w wersjach do instalowania w puszkach
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
60
podtynkowych i wtynkowych oraz w wersjach do instalowania na wierzchu ściany. Produkuje
się łączniki w wersjach hermetycznych przeznaczone do instalowania w pomieszczeniach
narażonych na wilgoć (łazienki, piwnice).
Rys. 38. Łącznik instalacyjny oświetleniowy
Łączniki warstwowe stosuje się w instalacjach przemysłowych do załączania silników
o niezbyt częstym rozruchu (np. napędzające wentylatory). Rozróżnia się dwa rodzaje
łączników warstwowych: szczękowe i krzywkowe. Są one zaopatrzone w proste komory
gaszeniowe. Oprócz wykonywania podstawowych czynności, takich jak załączanie
i wyłączanie, mogą one pełnić funkcje przełączników gwiazda – trójkąt służących do rozruchu
silników indukcyjnych.
Łączniki drążkowe wykorzystuje się w przemysłowych instalacjach elektrycznych do
łączenia obwodów, w których płyną duże prądy robocze. Łączniki te są sterowane dźwigniami
ręcznymi. Zestyki łączników drążkowych mają konstrukcję nożową lub dociskową.
Styczniki są łącznikami przystosowanymi do pracy w obwodach elektrycznych, które
odznaczają się dużą częstością łączeń (załączeń i wyłączeń) – od kilku do kilkudziesięciu
łączeń na godzinę. Styki główne stycznika są utrzymywane w stanie załączonym dzięki
działaniu siły wytwarzanej przez elektromagnes. Załączenie stycznika odbywa się przez
wciśnięcie przycisku zwiernego. Powoduje to załączenie elektromagnesu i zamkniecie styków
głównych. Przycisk zwierny jest połączony równolegle z zestykiem pomocniczym, dzięki
czemu po zwolnieniu przycisku nie następuje przerwa w zasilaniu elektromagnesu. W razie
zaniku napięcia stycznik otwiera się samoczynnie.
Rys. 39.
Wygląd nowoczesnego stycznika
Łączniki tyrystorowe są urządzeniami energoelektronicznymi, w których łączenie prądu
odbywa się z wykorzystaniem elementów półprzewodnikowych – tyrystorów.
Wyłącznik nadprądowe, używane w instalacjach nieprzemysłowych i przemysłowych służą
do łączenia obwodów oraz wyłączania prądów przeciążeniowych i zwarciowych. Wyłącznik
nadprądowe są produkowane w:
−
obudowie o przekroju okrągłym – dostosowane do wkręcania w gniazda bezpiecznikowe,
−
obudowie modułowej – przystosowane do mocowania na standardowej szynie z blachy
profilowanej do instalowania w nowoczesnych miniaturowych rozdzielnicach.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
61
Załączanie i wyłączanie wyłącznika nadprądowego wykonuje się ręcznie. Każdorazowo
załączając wyłącznik powodujemy naciągnięcie sprężyny, której energia jest wykorzystywana
przy jego wyłączaniu. W razie wystąpienia przeciążenia wyłączenie wyłącznika powoduje tzw.
wyzwalacz bimetalowy działający z pewną zwłoką czasową. Wyzwalaczem zwarciowy jest
elektromagnes działający natychmiastowo. Wyłączniki nadprądowe niskiego napięcia (250 V)
produkuje się na następujące prądy znamionowe: 0,3; 0,5; 1; 2; 3; 4; 6; 10; 13; 16; 20; 25; 32;
40; 50. Oprócz prądu znamionowego dla wyłącznika istotna jest także charakterystyka
czasowo – prądowa. Wyłączniki o charakterystyce B służą do ochrony odbiorników
niewrażliwych na skutki przeciążeń termicznych i znajdują zastosowanie w instalacjach
zawierających niewielką liczbę źródeł światła lub odbiorniki rezystancyjne. Wyłączniki o
charakterystyce C służą do ochrony obwodów i odbiorników niewrażliwych na skutki
przeciążeń termicznych, lecz odznaczających się znacznymi wartościami prądu rozruchowego.
Są one używane w obwodach z silnikami małej mocy, urządzeniami energoelektronicznymi
(pralki automatyczne itp.) zespołami oświetleniowymi i transformatorami. Wyłączniki o
charakterystyce D służą do ochrony obwodów i odbiorników odznaczających się dużymi
prądami rozruchowymi, w obwodach zasilających silniki dużej mocy o rozruchu ciężkim.
Rys. 40. Wyłącznik nadprądowy tzw. „S”
Bezpieczniki przeznaczone są do samoczynnego wyłączania prądów zwarciowych.
Element topikowy występujący w bezpieczniku ( drut lub pasek z metalu), w przypadku
wystąpienia prądu o natężeniu przekraczającym wartość znamionową nagrzewa się do
wysokiej temperatury, topi i odparowuje, powodując przerwę w obwodzie elektrycznym.
Należy pamiętać, że wkładka bezpiecznikowa po przepaleniu musi być zastąpiona nową
wkładką o tym samym prądzie znamionowym. Niedopuszczalne jest wykonywanie „napraw”
bezpieczników z użyciem drutu.
Wyłączniki różnicowoprądowe.
W warunkach normalnej pracy suma geometryczna prądów przepływających przewodami
fazowymi i neutralnymi jest równa zeru, prądy te wzajemnie się znoszą i w przewodzie
ochronnym PE prąd nie płynie. Jeżeli w zasilanym obwodzie wystąpi uszkodzenie izolacji,
zostaje zakłócony stan równowagi i w przewodzie neutralnym PE pojawia się prąd różnicowy.
Wyłączniki różnicowe zbudowane są na różne wartości prądu zadziałania (10, 30, 100, 300,
500 i 1000 mA) i z tego powodu znajdują różne zastosowanie w instalacjach elektrycznych. W
instalacjach domowych wyłączniki różnicowoprądowe powinny mieć zastosowanie do
zabezpieczenia obwodów gniazd wtyczkowych zainstalowanych w pomieszczeniach
niebezpiecznych i trudnych dla instalacji elektrycznych (piwnice, pralnie, łazienki, kuchnie),
czułość tych wyłączników nie powinna przekraczać 30 mA. Nie należy stosować ze względów
oszczędnościowych jednego wyłącznika różnicowoprądowego na wszystkie obwody lub na
większą ilość obwodów, ponieważ zakłócenie w jednym obwodzie spowoduje zadziałanie
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
62
wyłącznika, co pozbawi zasilania w pozostałych obwodach zabezpieczonych tym
wyłącznikiem. Wyłączniki o prądzie wyzwalającym 10 i 30 mA określa się jako wysokoczułe
i służą
jako
zabezpieczenie
przeciwporażeniowe.
Natomiast
wyłączniki
o prądzie
wyzwalającym powyżej 300 mA określa się jako niskoczułe i mogą stanowić zabezpieczenie
przed wybuchem pożaru spowodowanym wadami instalacji.
Rys. 41 Wyłącznik różnicowoprądowy
4.10.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co nazywamy instalacją elektryczną?
2. Wymień rodzaje instalacji elektrycznych?
3. Jak dzielimy instalacje elektroenergetyczne?
4. Jakie są elementy funkcjonalne instalacje elektroenergetycznej?
5. Jaką barwę ma przewód neutralny a jaką przewód ochronny?
6. Jaką funkcję pełnią w obwodach elektrycznych łączniki?
7. Jakie znasz rodzaje łączników występujące w instalacjach elektrycznych?
8. Do czego służy stycznik?
9. Do czego służy wyłącznik nadprądowy?
10. Jakie prądy wyłączają bezpieczniki?
11. Do czego służą wyłączniki różnicowoprądowe?
4.10.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Uzupełnij zdania:
−
Częstość łączeń styczników wynosi............................................ na godzinę.
−
Wyłączniki nadprądowe wyłączają prądy zwarciowe i...................................
−
Łączniki w wersji hermetycznej instaluje się w..............................................
−
Do załączania odbiorników przenośnych i ruchomych do instalacji elektrycznej stosuje się
łączniki...............................
−
........................ jest to linia łącząca zasilany obiekt z rozdzielczą siecią zasilającą.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) wstawić w miejsce kropek właściwe określenia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
63
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
Ćwiczenie 2
Uzupełnij zdanie:
W budynkach mieszkalnych wyróżnić można następujące rodzaje instalacji elektrycznych:
−
elektroenergetyczną
−
.................................
−
informatyczną
−
................................................................
−
antenową
−
...............................................................
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) wstawić w miejsce kropek właściwe nazwy.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
Ćwiczenie 3
Na rysunku umieszczonym niżej zaznacz: złącze, rozdzielnicę budynku, instalacje
odbiorcze, wlz.
Rys. 42. Schemat do ćwiczenia nr 4.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) wpisać właściwe nazwy.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
64
4.10.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) dokonać podziału instalacji elektrycznych?
2) scharakteryzować poszczególne rodzaje instalacji?
3) określ elementy funkcjonalne instalacji elektrycznych?
4) wymienić różne rodzaje łączników stosowanych w instalacjach?
5) nazwać poszczególne części instalacji budynku na schemacie?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
65
4.11. Zarys elektroniki
4.11.1 Materiał nauczania
Współczesny rozwój elektroniki opiera się na materiałach zwanych pólprzewodnikami.
Półprzewodniki, jak sama nazwa wskazuje, są substancjami klasyfikowanymi pomiędzy
przewodnikami a izolatorami. Przypomnijmy że izolatory (dielektryki) są to substancje nie
przewodzące prądu elektrycznego, cechujące się bardzo wysoką opornością. Jako ich
przeciwieństwo przewodniki mają bardzo małą oporność, co jest zasługą elektronów
swobodnych umożliwiających przepływ prądu. W zależności od warunków w których się
znajduje półprzewodnik zaczyna wykazywać właściwości dielektryczne lub przewodzące.
Półprzewodniki
wykorzystywane do ściśle określonych zastosowań posiadają
modulowaną w procesie produkcyjnym zdolność przewodzenia, na przykład poprzez
wprowadzenie
odpowiedniego
domieszkowania
lub
dzięki
utrzymaniu
procesu
technologicznego
w odpowiedniej
temperaturze.
Najpopularniejsze
materiały
półprzewodnikowe wykorzystywane w przemyśle to: krzem, arsenek galu, german oraz
antymonek galu.
Półprzewodniki możemy podzielić na samoistne, np. czysty krzem i te domieszkowane
odpowiednimi pierwiastkami zmieniającymi właściwości fizyczne kryształu. Domieszkując
czterowartościowy krzem pierwiastkiem pięciowartościowym np. fosforem otrzymujemy jeden
dodatkowy elektron swobodny. Fosfor nazywamy w tym przypadku donorem,
a półprzewodniki o takim typie domieszkowania nazywamy półprzewodnikami typu
n (negative). Po domieszkowaniu krzemu pierwiastkiem trójwartościowym, np. indem, krzem
musi dostarczyć jeden elektron swobodny. Dzięki temu następuje pełne wysycenie wiązania,
a na miejscu elektronu zostaje dziura. W takim typie domieszkowania ind nazywamy
akceptorem a półprzewodnik jest półprzewodnikiem typu p (positive). Występuje więc
przewodnictwo dziurowe. Cały postęp technologiczny który się dokonał w ostatnich
kilkudziesięciu latach, był możliwy dzięki umiejętnemu domieszkowaniu i łączeniu ze sobą
obszarów półprzewodnikowych typu n i typu p. Podstawowym budulcem większości
elementów elektronicznych, w tym także skomplikowanych układów scalonych jest złącze n –
p. Podstawowe elementy elektroniczne oparte na złączach n – p to diody półprzewodnikowe.
Diody są jednym z najczęściej stosowanych elementów półprzewodnikowych, obok
tranzystora, tyrystora i triaka. Działanie tych elementów opiera się na przepływie nośników
w złączu ( – ach ) p – n. Najprostszą diodą jest zwykła dioda krzemowa ( złącze p – n ).
Istnieje jeszcze wiele rodzajów diod, jak choćby: tunelowa (zjawisko tunelowe ), Schottky'ego
(złącze metal – półprzewodnik, stosowana w szybkich układach TTL serii LS i S ),
pojemnościowa, Zenera ( służąca do stabilizacji w układach zasilających itp.)
Rodzaje i cechy charakterystyczne najczęściej stosowanych diod
−
diody prostownicze przeznaczone do prostowania prądu przemiennego dla małej
częstotliwości przy dużych mocach wydzielanych w obciążeniu. Są to więc diody
pracujące przeważnie w układach prostowniczych bloków zasilania różnego typu urządzeń
elektrycznych i elektronicznych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
66
Rys. 43.
Symbol i rysunek przykładowej diody prostowniczej
−
diody uniwersalne – są to diody ostrzowe, germanowe i krzemowe zastosowane
w układach detekcyjnych, prostowniczych małej mocy, ogranicznikach i innych układach
urządzeń pomiarowo – kontrolnych. Charakteryzują się niewielkim zakresem napięć,
prądów i ograniczonych częstotliwością pracy do kilkudziesięciu megaherców.
Rys. 44. Wygląd diody uniwersalnej
−
diody impulsowe
–
są to diody stosowane w układach impulsowych, w których spełniają
one najczęściej funkcje kluczy przepuszczających impulsy tylko w jednym kierunku.
Rys. 45.
Przykładowa dioda impulsowa
−
diody pojemnościowe: każda dioda p – n lub m – s ma pojemność warstwy zaporowej,
nazywanej również pojemnością barierową. Ponieważ wraz ze zmianami napięcia
polaryzacji
zmienia
się
szerokość
warstwy
zaporowej
i
wartość
ładunku
niekompensowanego w tej warstwie, więc stosunek przyrostu ładunku do
odpowiadającego mu przyrostu napięcia jest definiowany jako pojemność bariery.
Zjawisko zmian pojemności złącza p – n pod wpływem polaryzacji w kierunku wstecznym
jest podstawą działania diod pojemnościowych, które ogólnie dzielą się na warikapy
i waraktory. Warikapy są to diody pojemnościowe stosowania jako zmienne pojemności,
natomiast waraktory są to diody pojemnościowe stosowane zastosowań jako zmienne
reduktancje elementów spełniające funkcję elementów czynnych w układach
parametrycznych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
67
Rys. 46. Dioda pojemnościowa
−
diody tunelowe – zawierają silnie domieszkowane złącze p
+
– n
+
, które wyróżniają się tym,
że ich charakterystyka prądowo – napięciowa zawiera odcinek o rezystancji ujemnej.
Diody tunelowe dzięki swej ujemnej rezystancji wykorzystywane są jako elementy
aktywne dla generatorów. Ujemna rezystancja kompensuje rezystancję strat obwodu
rezonansowego, czego efektem jest generacja drgań.
Rys. 47.
Symbol diody tunelowej
−
diody elektroluminescencyjne nazywane również diodami świecącymi, emitującymi
strumień fotonów w wyniku zmiany energii elektrycznej na energię prądu świetlnego.
Rys. 48.
Wygląd i symbol diody LED
−
stabilitrony – nazywane również diodami Zenera, są to diody warstwowe p – n stosowane
w układach stabilizacji napięć w układach ograniczników, jako źródła napięć odniesienia
itp. Obecnie na świecie są produkowane stabilitrony napięcia od 2 do kilkuset woltów,
przy czym nazwa dioda Zenera tradycyjnie obejmuje swym znaczeniem zarówno diody
o przebiciu Zenera jak i diody o przebiciu lawinowym.
Rys. 49.
Wygląd i symbol diody Zenera
−
diody Schottky'ego stanowią w większości wypadków alternatywę dla diod germanowych,
w przypadku gdy niezbędne jest niskie napięcie progowe wynoszące ok. 0,4 V. Diody te
działają na nośnikach większościowych, odznaczają się zatem bardzo krótkimi czasami
przełączania i nadają się doskonale do zastosowania w układach bardzo wielkiej
częstotliwości i układach przełączających. Diody Schottky'ego są powszechnie stosowane
w zakresie częstotliwości do 100 GHz
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
68
Tranzystor bipolarny
Jednym z najlepiej rozpoznawalnych elementów elektronicznych jest tranzystor bipolarny.
Jest to element najczęściej trójkońcówkowy lub czterokońcówkowy, składający się z dwóch
złącz n – p. W zależności od tego w jakiej konfiguracji ułożymy te złącza możemy wyróżnić
tranzystory typu n – p – n i p – n – p. Omówmy bardziej szczegółowo tranzystor typu n – p –
n. Wyprowadzenie pierwszego obszaru typu n to tak zwany emiter. To przez niego strumień
elektronów wpływa do tranzystora. Obszar typu p nazywamy bazą natomiast ostatni obszar
typu n stanowi kolektor. Zazwyczaj stały strumień elektronów który wpływa do emitera, jest
następnie sterowany zmiennym prądem bazy. Na wyjściu kolektora otrzymujemy zatem
odpowiedni niewielki prąd który docierał do bazy, teraz znacznie wzmocniony. Tranzystor jest
więc wzmacniaczem, bez którego ciężko sobie wyobrazić współczesną elektronikę. Inne
rodzaje tranzystorów to tranzystory unipolarne i polowe.
Rys. 50. Symbole i wygląd tranzystorów bipolarnych
Tyrystor
Tyrystor jest elementem elektronicznym składającym się z czterech warstw
półprzewodnikowych (struktura p – n – p – n). Podobnie jak dioda przewodzi prąd tylko
w jedną stronę, ale możemy wyróżnić dodatkowy stan blokowania. Gdy tylko nastąpi
podwyższenie poziomu napięcia polaryzującego do odpowiedniego poziomu tyrystor
przechodzi w stan przewodzenia, zachowując się jak zwykła dioda. Należy zauważyć, że
napięcie podtrzymania stanu przewodzenia jest wielokrotnie mniejsze, od wywołującego
przełączenie. Dzięki dodatkowej bramce można sterować momentem przełączania ze stanu
blokowania do stanu przewodzenia.
Rys. 51 Wygląd i symbol tyrystora
Triak
Triak jest rodzajem dwukierunkowego tyrystora, który dzięki antyrównoległej konstrukcji
(n – p – n – p oraz p – n – p – n) umożliwia sterowanie sygnałów zmiennoprądowych. Można
więc wyróżnić po dwa zakresy blokowania i przewodzenia w zależności od polarności napięcia
polaryzującego.
Fotodioda półprzewodnikowa
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
69
Fotodioda zbudowana jest w zasadzie jak najzwyklejsza dioda półprzewodnikowa,
pracująca w zakresie zaporowym. W jej obudowie jednak wycięto mały otwór przez który
pada światło. W zależności od natężenia padającego światła prąd wsteczny zaczyna się
zmieniać i następuje polaryzacja złącza n – p, należy również zaznaczyć, że wartość prądu
wstecznego nie zależy od napięcia zasilania. Prąd generowany przez fotodiodę jest niewielki,
dlatego stosuje się ją do pomiarów światła o dużym natężeniu. Do precyzyjnych pomiarów
wykorzystuje się fototranzystory.
Rys. 52. Wygląd i symbol fotodiody
Termistor
Termistor jest przyrządem półprzewodnikowym, którego rezystancja zależy od
temperatury. Dzięki tej właściwości jest często wykorzystywany jako prosty czujnik
temperatury w rozmaitych urządzeniach, także domowego użytku.
Rys. 53. Wygląd i symbol termistora
Układy scalone
Najwyższy stopień skomplikowania we współczesnej elektronice stanowią układy scalone.
Na jednym podłożu są nanoszone tysiące a nawet miliony struktur półprzewodnikowych
tworzących wypadkowo ogromne ilości diod, tranzystorów. Współpracując one ze sobą,
wykonując skomplikowane operacje. Przykładem układów scalonych są różnego rodzaju
mikroprocesory, pamięci, bramki logiczne, wzmacniacze operacyjne itp.
Rys. 54. Przykładowe układy scalone
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
70
4.11.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Wymienić podstawowe elementy elektroniczne?
2. Podać symbole podstawowych elementów elektronicznych?
3. Rozróżnić podstawowe elementy elektroniczne?
4. Wyjaśnić przeznaczenie podstawowych elementów elektronicznych?
5. Wyjaśnić z jakich materiałów zbudowane są podstawowe elementy elektroniczne?
4.11.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Uzupełnij zdania:
Głównym pierwiastkiem stosowanym do budowy współczesnych elementów elektronicznych
jest........................................ Diody półprzewodnikowe wykorzystują właściwości złącza......
Do stabilizacji napięcia stałego wykorzystuje się elementy zwane..................... Najczęściej
spotykany element elektroniczny trójkońcówkowy to...................... Termistor jest elementem,
którego rezystancja zależy od.................................. Najwyższy stopień skomplikowania we
współczesnej elektronice mają.....................................
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) uzupełnić brakujące elementy w zdaniach.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
Ćwiczenie 2
Podpisz zamieszczone poniżej symbole:
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
71
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) dopisać pod rysunkami nazwy urządzeń które symbolizują.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
4.11.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) wymienić podstawowe elementy elektroniczne?
2) narysować symbole podstawowych symboli elektronicznych?
3) rozróżnić symbole podstawowych elementów elektronicznych?
4) rozróżnić po wyglądzie i symbolach podstawowe elementy
elektroniczne?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
72
4.12. Bezpieczeństwo i higiena pracy podczas eksploatacji
urządzeń elektrycznych
4.12.1. Materiał nauczania
Podstawowe zasady.
Urządzenia elektryczne gdziekolwiek używane w domu, szkole, zakładzie pracy, szpitalu,
czy też podczas rehabilitacji są bardzo pomocne człowiekowi. Jednakże w przypadkach ich
niewłaściwej eksploatacji mogą stanowić zagrożenie dla życia i zdrowia ludzkiego.
Dlatego bardzo ważne jest przestrzeganie następujących zasad bezpiecznej obsługi urządzeń
elektrycznych:
—
naprawy oraz konserwacja urządzeń elektrycznych mogą być wykonywane tylko przez
wykwalifikowany personel. Jedyny wyjątek stanowi tu wymiana przepalonych wkładek
bezpiecznikowych oraz żarówek w instalacjach domowych,
—
przed załączeniem urządzenia elektrycznego, wymianą bezpieczników lub żarówek trzeba
wzrokowo skontrolować stan urządzenia, aby sprawdzić czy nie jest ono uszkodzone,
—
przed wymianą wkładek bezpiecznikowych lub żarówek trzeba w miarę możliwości
wyłączyć spod napięcia obwód, w którym wykonywana jest naprawa,
—
przy odłączaniu przenośnego odbiornika energii elektrycznej od sieci należy zawsze
chwytać ręką za wtyczkę, aby wyjąć ją z gniazda. Nie wolno w tym celu ciągnąć za
przewód,
—
urządzenia, takie jak np. kuchnie elektryczne, lodówki, pralki powinny być przyłączane
wyłącznie do gniazd z bolcem, służącym do dołączenie przewodu ochronnego PE.
Włączenie takiego urządzenia do gniazda bez przewodu ochronnego PE stwarza poważne
ryzyko porażenia prądem elektrycznym,
—
po zaobserwowaniu nieprawidłowej pracy urządzenia elektrycznego należy odłączyć je od
sieci zasilającej, a jeżeli jest to możliwe, wezwać wykwalifikowany personel.
Zasady bezpiecznej pracy podczas zajęć w szkolnych pracownia elektrycznych
i elektronicznych można przedstawić następująco:
—
uczniowie mogą przebywać w tych pracowniach tylko w obecności osoby prowadzącej
ćwiczenia,
—
napięcie zasilające obwód utworzony przez uczniów każdorazowo załącza osoba
prowadząca ćwiczenia, po stwierdzeniu, czy obwód został prawidłowo połączony,
—
wszelkie zmiany w badanym układzie mogą być wykonywane dopiero po wyłączeniu
zasilania,
—
podczas pomiarów nie wolno przestawiać i przesuwać mierników i innych urządzeń, gdyż
grozi to przerwaniem obwodu, zwarciem a nawet porażeniem osób prądem elektrycznym,
—
po zaobserwowaniu nieprawidłowej pracy badanego układu należy wyłączyć napięcie
zasilające wyłącznikiem głównym stanowiska pomiarowego.
Możliwości porażenia i statystyka porażeń prądem.
Przyczynami porażeń prądem są: nieostrożność, lekkomyślność, lekceważenie przepisów,
omyłki, brak nadzoru, brak konserwacji i nieznajomość instrukcji. Przepływ prądu przez ciało
człowieka i związane z tym skutki porażenia mogą wystąpić na skutek:
—
porażeń od napięć roboczych (ok. 60 % porażeń) – czyli zetknięcia się człowieka
z częściami obwodu elektrycznego znajdującymi się normalnie pod napięciem, lub
wskutek nadmiernego zbliżenia się do tych urządzeń,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
73
—
porażeń od napięć dotykowych (obejmujących ok. 40 % porażeń) – czyli zetknięcia się
człowieka z częściami metalowymi nie znajdującymi się normalnie pod napięciem, na
których pojawiło się napięcie w wyniku uszkodzenia izolacji roboczej,
—
porażeń od napięć krokowych ( poniżej 1% porażeń prądem) – czyli wskutek różnicy
potencjałów na powierzchni ziemi w strefie objętej rozpływem prądu w ziemi.
Statystki wykazują, że ok. 80% wypadków porażeń występuje przy urządzeniach niskiego
napięcia. W poszczególnych grupach porażeń udział wypadków śmiertelnych wynosi: do około
5% – przy urządzeniach niskiego napięcia i do ok. 20% – przy urządzeniach wysokiego
napięcia.
Napięcia bezpieczne.
Aktualnie obowiązujące przepisy ochrony przeciwporażeniowej (norma PN – IEC 603464
przyjmują, że napięcie jest bezpieczne, jeśli nie przekracza wartości podanych w tabeli 3:
Tabela 3
Napięcie U
L
(V) w warunkach
Rodzaj prądu
normalnych
szczególnych
ekstremalnego
zagrożenia
Prąd przemienny
50
25
12
Prąd stały
120
60
30
Ratowanie osób porażonych prądem.
Postępowanie powypadkowe powinno cechować się:
−
szybkością działania,
−
sprawnością,
−
spokojem.
Szczególnie ważna jest szybkość działania z uwagi na zmniejszające się z każdą minutą szanse
uratowania osoby nieprzytomnej, która utraciła oddech.
Po jednej minucie do rozpoczęcia sztucznego oddychania szanse te wynoszą ok. 95%, po
pięciu minutach –25%, a po ośmiu minutach – tylko 5%.
Akcja ratowania rozpoczyna się od natychmiastowego uwolnienia porażonego spod działania
prądu. W sieciach do 1 kV uwolnienia można dokonać przez:
—
wyłączenie napięcia we właściwym obwodzie elektrycznym,
—
odciągnięcie porażonego od urządzeń będących pod napięciem,
—
odizolowanie porażonego od urządzeń będących pod napięciem.
Wyboru metody i sposobu uwolnienia porażonego spod napięcia dokonuje ratujący
w zależności od warunków w jakich nastąpiło porażenie oraz mając na względzie własne
bezpieczeństwo ( sprzęt ochronny). Po uwolnieniu porażonego spod działania prądu należy
natychmiast przystąpić do udzielania pierwszej pomocy.
4.12.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie są podstawowe zasady bezpiecznej obsługi urządzeń elektrycznych?
2. Jakie są przyczyny porażenia prądem elektrycznym?
3. Jakie są rodzaje porażeń elektrycznych?
4. Jakie są napięcia bezpieczne dla prądu stałego i przemiennego?
5. W jaki sposób ratujemy osoby porażone prądem elektrycznym?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
74
4.12.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Uzupełnij zdanie:
Przyczynami porażeń prądem elektrycznym są:
−
−
−
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) wpisać w puste miejsca przyczyny porażeń prądem elektrycznym.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
Ćwiczenie 2
Uzupełnij zapis:
Postępowanie powypadkowe dla osób porażonych prądem elektrycznym powinno cechować
się:
1.
2.
3.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) wypisać zasady postępowania powypadkowego.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
Ćwiczenie 3
Uzupełnij tabelę 4:
Tabela 4. Tabela dla ćwiczenia 3
Napięcie U
L
(V) w warunkach
Rodzaj prądu
normalnych
szczególnych
ekstremalnego
zagrożenia
Prąd przemienny
25
Prąd stały
120
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) wstawić w puste miejsca tabeli właściwe zapisy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
75
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
długopis.
4.12.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) wymienić zasady bezpiecznej obsługi urządzeń elektrycznych?
2) obsłużyć urządzenie elektryczne zgodnie z przepisami bhp?
3) określić napięcia bezpieczne?
4) wymienić przyczyny porażeń prądem elektrycznym?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
76
4.13. Podstawowe pojęcia dotyczące automatyki
4.13.1. Materiał nauczania
Automatyka jest dziedziną zajmującą się zagadnieniami automatycznego sterowania
urządzeń technicznych i procesów technologicznych, kontrolowaniem tych procesów,
sygnalizowaniem ich stanu oraz zabezpieczeniem biorących w nich udział urządzeń.
Zrozumienie podstaw automatyki wymaga poznania kilku podstawowych pojęć, jakimi
posługuje się ta dziedzina:
−
obiekt stanowi urządzenie lub zespół urządzeń, w którym przebiegają procesy
technologiczne albo przemiany energii przynoszące skutek w postaci fizycznych lub
chemicznych zmian materii. Obiektem może być również urządzenie służące do
przetwarzania i przesyłania informacji. Przykładem obiektu jest piekarnik w którym musi
być odpowiednia temperatura,
−
otoczenie obiektu (środowisko). Między obiektem a otoczeniem zachodzą oddziaływania
wzajemne,
−
sterowanie, oddziaływanie na obiekt w sposób zamierzony. Obiekt, na który oddziałuje się
w sposób zamierzony nazywa się obiektem sterowania. Wielkość, której dotyczy
sterowanie nazywamy wielkością sterowaną. W przytaczanym przykładzie obiektem
sterowania jest piekarnik wraz ze spiralą elektryczną, zaś wielkością sterowaną
temperatura panująca w piekarniku,
−
zakłócenie, oddziaływanie otoczenia na obiekt w sposób przypadkowy i nie zamierzony.
Np. oddziaływanie temperatury zewnętrznej na piekarnik,
−
urządzenie sterujące, urządzenie służące do sterowania np. termobimetal wyłączający
napięcie spirali grzejnej gdy temperatura osiąga odpowiedni poziom,
−
układ sterowania to obiekt sterowania połączony z urządzeniem sterującym,
−
sygnał, dowolna wielkość fizyczna występująca w procesie sterowania będąca funkcją
czasu i niosąca informację. N.p. napięcie, temperatura, częstotliwość, prędkość itp.,
−
wartość zadana sygnału, wartość sygnału sterowanego do uzyskania której dąży się
w procesie sterowania automatycznego.
Na rysunku 55 pokazano przykłady obiektów regulacji.
Rys. 55.
Obiekty regulacji: a) o jednym sygnale wejściowym i jednym wyjściowym, b) o wielu
sygnałach, O – obiekt regulacji, x – sygnał sterujący (wejściowy), z – sygnał
zakłócający, y – sygnał wyjściowy
Układ sterowania jest to zespół składający się z obiektu (obiektów) sterowania
i oddziałującego na niego układu sterującego (regulatora). Sterowanie jest to oddziaływanie na
obiekt regulacji w celu uzyskania określonego zachowania obiektu. Wyróżnia się dwa
podstawowe rodzaje układów sterowania:
−
układ otwarty,
−
układ zamknięty.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
77
Układ sterowania otwarty jest to układ bez sprzężeń zwrotnych. W układzie sterowania
rolę regulatora spełnia najczęściej człowiek. Zadaniem człowieka jest ciągła obserwacja
wielkości sterowanej i porównanie jej z wartością zadaną. Na podstawie porównania
podejmowana jest decyzja, dotycząca odpowiedniego oddziaływania na obiekt regulacji.
Przykładem otwartego układu sterowania jest jazda samochodem, w którym rolę regulatora
spełnia osoba podejmująca decyzje, w którą stronę skręcić, gdzie się zatrzymać, z jaką
prędkością jechać.
Rys. 56.
Podstawowe rodzaje układów sterowania: a) układ otwarty, b) układ zamknięty.
O – obiekt regulacji, R – regulator, x
o
– wartość zadana, y – sygnał sterowany
(regulowany), x – sygnał sterujący (nastawiający), z – zakłócenia, e – odchyłka
regulacji
W zamkniętym układzie sterowania, zwanym również układem regulacji, wartość
wielkości wyjściowej jest wprowadzana do urządzenia sterującego (regulatora) przez ujemne
sprzężenie zwrotne. Sterowanie w zamkniętym układzie określamy jako regulację.
Jeżeli aktualna wartość sygnału wyjściowego z obiektu y jest inna niż wartość zadana x
o
(jaką sygnał wyjściowy y powinien przyjmować), to powstaje różnica e = x
o
– y, zwana
odchyłką regulacji. Zadaniem regulatora jest takie oddziaływanie na obiekt regulacji, aby
odchyłka e była bliska zera.
Klasyfikacja układów regulacji
1. Uwzględniając sposób działania układu należy wyróżnić:
−
układy regulacji stałowartościowej, w których wartość zadana x
o
= const
(np. utrzymanie stałej temperatury w pomieszczeniu),
−
układy sterowania programowego, w których algorytm działania realizuje zmianę
wielkości sterowanej według zadanego programu, np. utrzymanie w pomieszczeniu
określonych przez użytkownika zmian temperatur w zależności od pory dnia,
−
układy sterowania nadążnego, w których algorytm działania realizuje pewien przebieg
wielkości sterowanej, przy czym przebieg nie jest znany, np. śledzenie przez radar
obiektu latającego,
−
układy sterowania adaptacyjnego, w którym w przypadku zmian właściwości obiektu
lub oddziaływań zewnętrznych następuje zmiana algorytmu sterowania, zapewniająca
spełnienie określonego kryterium jakości sterowania, np. minimalne zużycie paliwa
w samochodzie mimo zmieniających się warunków zewnętrznych – różna
nawierzchnia drogi, oraz zmieniająca się prędkość jazdy,
−
układy sterowania optymalnego, w których układ sterowania realizuje algorytm
według przyjętego wskaźnika jakości (ekstremum), np. sterowanie ciągiem silników
samolotu tak, aby samolot osiągnął określony pułap przy realizacji określonego
wskaźnika jakości, np. minimalne zużycie paliwa,
−
układy sterowania sekwencyjnego, w których załączanie i wyłączanie odpowiednich
urządzeń procesu odbywa się wg określonej kolejności (sekwencji).
2. Uwzględniając charakter sygnałów układu należy wyróżnić:
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
78
−
układy ciągłe, w których wszystkie sygnały wejściowe i wyjściowe są funkcjami
ciągłymi, tzn. mogą przybierać dowolne wartości z obszaru swojej zmienności,
−
układy dyskretne – w których sygnały przybierają tylko wybrane, ściśle określone
wartości z przedziału wartości dopuszczalnych.
Układy regulacji są budowane w wyniku połączenia wielu współpracujących elementów,
urządzeń.
Rys. 57.
Ogólna struktura układu regulacji
Elementami składowymi układu są:
−
obiekt regulacji (sterowania),
−
urządzenia pomiarowe i wizyjne,
−
regulator, sterownik,
−
urządzenia wykonawcze (elektryczne, pneumatyczne, hydrauliczne).
Sygnały występujące w układach regulacji mogą najczęściej mieć postać:
−
sygnałów mechanicznych wytwarzanych za pomocą dźwigni, krzywek,
−
sygnałów pneumatycznych (napędy pneumatyczne),
−
sygnałów hydraulicznych ( napędy hydrauliczne),
−
sygnałów elektrycznych (napędy elektryczne), obecnie najpopularniejsze.
Bardzo szybki rozwój elektroniki, a zwłaszcza mikroprocesorów spowodował, że coraz
częściej jako urządzenia sterujące stosowane są sterowniki mikroprocesorowe, w których
występują sygnały elektryczne.
4.13.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co oznaczają pojęcia: obiekt, otoczenie obiektu, sterowanie, zakłócenie? urządzenie
sterujące, układ sterowania, sygnał, wartość zadana sygnału?
2. Jaka jest różnica między układem sterowania otwartym i zamkniętym?
3. Jakie są elementy składowe układu regulacji?
4. Jaką postać mogą mieć sygnały występujące w układach regulacji?
4.13.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Uzupełnij zdania:
−
......................., urządzenie służące do sterowania, np. termobimetal wyłączający napięcie
spirali grzejnej gdy temperatura osiąga odpowiedni poziom.
−
......................., oddziaływanie na obiekt w sposób zamierzony.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
79
−
....................... stanowi urządzenie lub zespół urządzeń, w którym przebiegają procesy
technologiczne albo przemiany energii przynoszące skutek w postaci fizycznych lub
chemicznych zmian materii.
−
......................, dowolna wielkość fizyczna występująca w procesie sterowania będąca
funkcją czasu i niosąca informację.
−
Wartość zadana sygnału, wartość sygnału sterowanego do....................................
w procesie sterowania automatycznego.
−
Zakłócenie, oddziaływanie otoczenia na obiekt w sposób........................................
−
Układ sterowania to obiekt sterowania połączony z...............................................
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) wpisać w puste miejsca właściwe określenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
Ćwiczenie 2
Określ rodzaj układu i się występujące w nim sygnały?
Rys. 58. Schemat układu do ćwiczenia 2
Jest to.................................. układ sterowania.
Nazwy sygnałów to:
z – ........................................................
y – ........................................................
e – ........................................................
x – .......................................................
x
0
– .......................................................
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) wpisać w puste miejsca właściwe określenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
80
Ćwiczenie 3
Wpisz w prostokąty właściwe nazwy poszczególnych bloków struktury układu regulacji.
Rys. 59. Schemat układu do ćwiczenia 3
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) wstawić w prostokąty właściwe nazwy.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
4.13.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) omówić podstawowe pojęcia automatyki?
2) rozróżnić układ sterowania zamknięty od otwartego?
3) podać nazwy poszczególnych bloków układu regulacji?
4) wymienić sygnały, które występują w układzie regulacji?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
81
4.14. Urządzenia automatyki
4.14.1. Materiał nauczania
Do praktycznej realizacji procesów automatycznej regulacji służą urządzenia automatyki.
Zaliczamy do nich:
—
przetworniki pomiarowe służące do bezpośredniego pomiaru wielkości regulowanej, którą
może być temperatura, ciśnienie, poziom cieczy, prędkość obrotowa i inne. Przetwornik
pomiarowy składa się czujnika, który bezpośrednio uczestniczy w analizowanym zjawisku
i podzespołu dopasowującego wartość i postać sygnału regulowanego do wartości
zadanej,
Rys. 60. Prądnica tachometryczna – przykład przetwornika pomiarowego
—
elementy wykonawcze, czyli przede wszystkim silniki elektryczne oraz siłowniki
hydrauliczne i pneumatyczne. Silniki elektryczne pełnią w układach automatyki funkcję
siłowników sterujących elementy nastawcze oraz funkcje układów napędowych. Siłowniki
hydrauliczne przetwarzają sygnał hydrauliczny na przesuniecie liniowe tłoka
wykonującego ruch liniowy lub wahliwy. Siłowniki pneumatyczne działają na podobnej
zasadzie jak siłowniki hydrauliczne, z tym że czynnikiem roboczym jest w nim sprężone
powietrze,
Rys. 61. Siłownik hydrauliczny
−
elementami nastawczymi i przełączającymi stosowanymi w automatycznych układach
przepływu cieczy i gazów, są elementy dławiące zawory, przepustnice i zasuwy. Do grupy
tej zaliczamy łączniki elektryczne (stykowe i bezstykowe), służące do załączania
i wyłączania obwodów elektrycznych, a także rezystory nastawcze (potencjometry),
transformatory z zaczepami regulacyjnymi, autotransformatory oraz prostowniki
sterowane, służące do zmienienia wartości napięć i prądów w obwodach elektrycznych,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
82
Rys. 62. Łącznik elektryczny – stycznik
−
elementy sterujące są przeznaczone do zarządzania pracą układów automatyki.
W zależności od potrzeb mogą to być bardzo proste sterowniki elektromechaniczne, np.
programatory pralek automatycznych. Znacznie bardziej złożone mikroprocesorowe
sterowniki logiczne (PLC) znajdują szerokie zastosowanie w nowoczesnym przemyśle. Są
one zbudowane podobnie jak mikrokomputery. Składają się więc z mikroprocesora,
pamięci operacyjnej, pamięci trwałej oraz urządzeń we/wy. Sterownik taki może sterować
pojedynczą maszyną lub urządzeniem, a nawet grupą kilku urządzeń realizujących pewien
proces technologiczny. Poszczególne zadania są wykonywane przez maszyny
w precyzyjnie określonych odstępach czasu, a poszczególne operacje technologiczne
mogą być zsynchronizowane ze sobą.
Rys. 63. Sterownik PLC
Sterownik jest wyposażony w liczne podzespoły, które mają postać modułów.
Najważniejsze z nich to:
−
układy wejść binarnych – przeznaczone do przyjmowania sygnałów z różnych urządzeń,
−
układy wejść analogowych – w których sygnały analogowe są przetwarzane na sygnały
cyfrowe,
−
jednostka centralna – procesor wraz z pamięcią,
−
układy czasowe,
−
liczniki impulsów,
−
komparatory sygnałów analogowych – służące do porównania nadchodzących z zewnątrz
sygnałów analogowych,
−
układy wyjść binarnych – z których wyprowadzane są sygnały logiczne wykonawcze
i sygnalizacyjne,
−
układy wyjść analogowych,
−
układy zasilania.
Do zaprogramowania mikroprocesorowego sterownika logicznego konieczne jest
urządzenie, zwane programatorem. Służy ono do przygotowania, testowania i uruchamiania
programów przeznaczonych dla sterownika. Programowane sterowniki logiczne wykonuje się
przede wszystkim z myślą o ich zastosowaniu w przemyśle. Jednakże w życiu codziennym
coraz częściej spotykamy się ze sterownikami zbudowanymi ze specjalnych układów scalonych
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
83
pełniących funkcje zbliżone do funkcji programowanych sterowników logicznych. Są to tzw.
mikrokomputery jednoukładowe. Pełnią one funkcje mikrosterowników i znajdują
zastosowanie np. w sprzęcie gospodarstwa domowego (telewizory, radioodbiorniki i itp.),
w telefonach komórkowych, alarmach samochodowych i domowych, są podzespołami
sterowania automatyką w samochodach.
Układy pomocnicze są to m.in. układy hydrauliczne, pneumatyczne lub elektryczne. Mogą
być bardzo proste lub bardzo rozbudowane ze zdwojonymi podzespołami dla zachowania
odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa.
W ostatnim okresie elementy automatyki znajdują coraz szersze zastosowanie
w przedmiotach ortopedycznych i sprzęcie rehabilitacyjnym.
Obecnie prowadzone badania,
oparte na nowoczesnej technologii wytwarzania i mikroprocesorowej technice sterowania,
koncentrują się między innymi nad takimi sztucznymi mięśniami, jak: sztuczne mięśnie
zbudowane z nanorurek NAM (Nanotube Artificial Muscle), wynalezione w Instytucie Maxa
Plancka (Stuttgart) są produkowane przez firmę AlliedSignal Inc. Wzdłuż węglowych
nanorurek ułożone są krążki zbudowane z 14 – atomowego węgla. Submikroskopowy węgiel
ukształtowany w postaci rurki jest wypełniony elektrolitem. Po doprowadzeniu prądu sztuczny
muskuł kurczy się lub wydłuża. Z miliona nanorurek buduje się włókna mięśni o dowolnej
długości, które przypominają strukturę mięśnia naturalnego.
Sztuczne biomięśnie polimerowo – żelowe mają element kurczliwy wykonany z włókna
polimerowego wypełnionego płynem żelowym, który jest wrażliwy na zmianę liczby pH.
Kurczliwość włókna zależy od liczby pH. Sterowanie skurczem mięśni polimerowych polega
więc na zmianie liczby pH za pomocą regulatora pH.
Sztuczne biomięśnie zbudowane z kompozytów polimerowo – metalowych IPMC (Ionic
Polymer – Metal Composite) wykazują zdolność odkształcenia, są lekkie, sterowane prądem
o małym napięciu, mają naturalne właściwości tłumienia drgań oraz są elastyczne.
Rys. 64. Widok nóg człowieka poruszającego się za pomocą protezy hydraulicznej wyposażonej
w system sterowania mikroprocesorowego
Rys. 65. Schemat ręki (a) i nogi (b) ze stawami poruszanymi przeciwstawnie, działającymi
mięśniami pneumatycznymi
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
84
Sprzęt rehabilitacyjny wykorzystujący osiągnięcia automatyki to przede wszystkim:
1. łóżka rehabilitacyjne o sterowaniu elektrycznym,
2. aparaty do fizykoterapii (sterowanie mikroprocesorowe):
−
do elektroterapii,
−
magnetoterapii,
−
laseroterapii,
−
lampy solux.
3. sprzęt sportowy do użytku domowego (pomiar wysiłku, itp.):
−
orbitrek,
−
rowery treningowe,
−
steppery,
−
bieżnie
4. urządzenia do hydroterapii:
−
wirówki do kończyn,
−
aquavibron,
−
maty do masażu perełkowego,
5. inne urządzenia.
4.14.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie znasz grupy urządzeń automatyki?
2. Czy potrafisz krótko scharakteryzować poszczególne grupy urządzeń automatyki?
3. Czy potrafisz rozróżnić poszczególne urządzenia automatyki?
4. Gdzie można zastosować elementy automatyki w przedmiotach ortopedycznych i sprzęcie
rehabilitacyjnym?
4.14.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Wskaż przetworniki pomiarowe w katalogu różnych urządzeń.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w katalogu lub w internecie odpowiedni opis przetworników,
2) wybrać przetworniki pomiarowe,
3) wypisać je na oddzielnej kartce,
4) wskazać zastosowanie.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
katalog, katalogi przetworników pomiarowych,
−
stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
85
Ćwiczenie 2
Uzupełnij zdania:
Do zaprogramowania mikroprocesorowego sterownika konieczny jest....................
Elementy wykonawcze to przede wszystkim....................elektryczne oraz..............................
hydrauliczne i pneumatyczne.
Podzespoły sterownika PLC mają zwykle postać..................
Jednostka centralna to procesor wraz z...............................
Mikrosterowniki to inaczej...............................
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w poradniku odpowiedni opis,
2) uzupełnić puste miejsca właściwymi określeniami.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
długopis.
4.14.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) podzielić urządzenia automatyki na grupy?
2) rozróżnić poszczególne grupy urządzeń automatyki?
3) podać przykłady urządzeń z poszczególnych grup?
4) wymienić zastosowania automatyki w przedmiotach ortopedycznych
i sprzęcie rehabilitacyjnym?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
86
5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1. Przeczytaj uważnie instrukcję.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Test zawiera 30 zadań. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.
5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.
6. Zadania wymagają stosunkowo prostych obliczeń, które powinieneś wykonać przed
wskazaniem poprawnego wyniku.
7. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
8. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż rozwiązanie
zadania na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.
9. Na rozwiązanie testu masz 60 minut.
Powodzenia!
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
87
ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH
1. Ile wynosi natężenie prądu w przewodzie metalowym, jeżeli w czasie 2 sekund przez jego
przekrój przepływa 40 10
17
elektronów. Ładunek elektryczny każdego elektronu wynosi –
1,6 10
– 18
C.
a) 1,6 A.
b) 0,8 A.
c) 3,2 A.
d) 2,4 A.
2. Korzystając z miliwoltomierza zmierzono napięcie o wartości 3000 mV. Czyli o wartości
a) 3 V.
b) 0,3 V.
c) 30 V.
d) 0,03 V.
3. Odbiornik prądu stałego pobiera z akumulatora prąd o natężeniu 2 A. Napięcie
akumulatora to 12 V. Jaka jest moc i energia pobierana przez odbiornik w ciągu 10
sekund?
a) Pn=6 W, E=60 J.
b) Pn=12 W, E=120 J.
c) Pn=24 W, E=240 J.
d) Pn=20 W, E=200J.
4. Spadek napięcia na rezystorze R=10
Ω
przy płynącym przez niego prądzie stałym
o wartości 2 A wynosi
a) 10 V.
b) V.
c) 15 V.
d) 20 V.
5. Materiałem elektroizolacyjnym jest
a) złoto.
b) srebro.
c) powietrze.
d) nikielina.
6. Materiały dobrze przewodzące prąd elektryczny cechują się rezystywnością wynoszącą
około
a) 10
– 8
Ω
m.
b) 10
10
Ω
m.
c) 10
5
Ω
m.
d) 10
14
Ω
m.
7. Symbol umieszczony na schemacie elektrycznym oznacza:
a) źródło napięcia.
b) rezystor.
c) woltomierz.
d) przewód.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
88
8. Rezystancja między punktem 1 i 2 układu z rysunku dla R1=10
Ω
, R2=15
Ω
, R3=25
Ω
wynosi
a) 25
Ω
.
b) 5
Ω
.
c) 10
Ω
.
d) 50
Ω
9. Rezystancja wypadkowa trzech połączonych równolegle rezystorów wartościach: 5
Ω
,
5
Ω
, 10
Ω
wynosi
a) 2
Ω
.
b) 20
Ω
c) 10
Ω
d) 5
Ω
.
10. W układzie na rysunku wielkością mierzoną jest
a) natężenie prądu.
b) moc odbiornika.
c) rezystancja odbiornika
d) napięcie.
11. Do pomiaru mocy pobieranej przez odbiornik używa się
a) amperomierza
b) omomierza.
c) watomierza.
d) woltomierza
12. Transformator stosuje się między innymi do
a) zwiększenia mocy odbiornika.
b) zmniejszenia lub podwyższenia napięcia zasilania.
c) zmiany częstotliwości.
d) zmniejszenia mocy pobieranej przez odbiornik.
13. W sprzęcie gospodarstwa domowego oraz w narzędziach przenośnych zasilanych z sieci
230 V znalazły zastosowanie silniki
a) indukcyjne.
b) komutatorowe szeregowe.
c) synchroniczne.
d) bocznikowe.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
89
14. Silnik klatkowy jest silnikiem
a) indukcyjnym prądu przemiennego.
b) indukcyjnym prądu stałego.
c) synchroniczny.
d) komutatorowym.
15. Silniki elektryczne wykorzystywane są w napędzie elektrycznym do wytworzenia
a) energii cieplnej.
b) napięcia.
c) światła.
d) energii mechanicznej.
16. Elektryczne koce i maty grzewcze są urządzenia grzewczymi:
a) rezystancyjnymi.
b) łukowymi.
c) promiennikowymi.
d) elektrodowymi.
17. Uzyskanie pary wodnej o dużej czystości jest możliwe dzięki urządzeniu grzejnemu
a) promiennikowemu.
b) rezystancyjnemu.
c) indukcyjnemu.
d) elektrodowemu.
18. Trwałość żarówek ogólnego przeznaczenia wynosi około
a) 1000 godzin.
b) 500 godzin.
c) 10000 godzin.
d) 30000 godzin.
19. Oświetlenie miejsca pracy powinno być
a) inne niż oświetlenie dzienne.
b) jak najbardziej zbliżane do oświetlenia światłem dziennym.
c) jak najlepsze, aby powstawało olśnienie.
d) słabe, aby nie raziło.
20. Na zdjęciu poniżej przedstawiono
a) łącznik instalacji oświetleniowej.
b) stycznik.
c) wtyczkę jednofazową.
d) wtyczkę trójfazową.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
90
21. Linia łącząca zasilany obiekt z rozdzielczą siecią zasilającą jest
a) wlz.
b) złącze.
c) instalacja.
d) przyłącze.
22. Elementem przedstawionym na poniższym zdjęciu jest
a) dioda LED.
b) tranzystor.
c) dioda Zenera.
d) układ scalony.
23. Elementami elektronicznymi z poniższego zdjęcia są
a) diody prostownicze.
b) diody Zenera.
c) diody LED.
d) tranzystory.
24. W warunkach normalnych przemienne napięcie bezpieczne to
a) 50 V.
b) 25 V.
c) 120 V.
d) 230 V.
25. Przepalony bezpiecznik instalacyjny należy
a) naprawić drutem o odpowiednim przekroju.
b) zastąpić żarówką.
c) zastąpić bezpiecznikiem o większej wartości prądu.
d) zastąpić bezpiecznikiem o takiej samej wartości prądu.
26. W zamkniętym układzie regulacji wykorzystywane jest
a) sprzężenie zwrotne dodatnie.
b) sprzężenie generacyjne.
c) napięcie odniesienia.
d) sprzężenie zwrotne ujemne.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
91
27. Symbol przedstawiony na rysunku poniżej oznacza
a) tranzystor.
b) układ scalony.
c) tyrystor.
d) diodę prostowniczą.
28. Elementy elektroniczne na zdjęciu poniżej to
a) fotodiody.
b) układy scalone.
c) tyrystory.
d) termistory.
29. Przykładem przetwornika pomiarowego jest
a) silnik elektryczny.
b) siłownik hydrauliczny.
c) sterownik.
d) prądnica tachometryczna.
30. Urządzeniem zbudowanym z mikroprocesora, pamięci operacyjnej, pamięci trwałej oraz
urządzeń we/wy wykorzystywanym w układach automatyki jest
a) silnik elektryczny.
b) siłownik hydrauliczny.
c) sterownik.
d) prądnica tachometryczna.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
92
KARTA ODPOWIEDZI
Imię i nazwisko..........................................................................................
Użytkowanie urządzeń elektrycznych i sterowanych automatycznie
.
Zakreśl poprawną odpowiedź.
Nr
zadania
Odpowiedź
Punkty
1
a
b
c
d
2
a
b
c
d
3
a
b
c
d
4
a
b
c
d
5
a
b
c
d
6
a
b
c
d
7
a
b
c
d
8
a
b
c
d
9
a
b
c
d
10
a
b
c
d
11
a
b
c
d
12
a
b
c
d
13
a
b
c
d
14
a
b
c
d
15
a
b
c
d
16
a
b
c
d
17
a
b
c
d
18
a
b
c
d
19
a
b
c
d
20
a
b
c
d
21
a
b
c
d
22
a
b
c
d
23
a
b
c
d
24
a
b
c
d
25
a
b
c
d
26
a
b
c
d
27
a
b
c
d
28
a
b
c
d
29
a
b
c
d
30
a
b
c
d
Razem:
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
93
6. LITERATURA
1. Bolkowski S.: Elektrotechnika. WSiP, Warszawa 2004
2. Januszewski S., Sagan T., Szczucki F.,Świątek H.: Eksploatacja urządzeń elektrycznych
i energoelektronicznych, Instytut Technologii Eksploatacji, Radom 1999
3. Komor Z. Pracownia automatyki. WSiP, Warszawa 1996
4. Nowicki J.: Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla zasadniczych szkół nieelektrycznych
WSiP, Warszawa 1999
5. Pilawski M, Winek T Pracownia elektryczna WSiP Warszawa 2006
6. Strona internetowa: bezel.com.pl
7. Strona internetowa: pl.wikipedia.org