Gornik_odkrywkowej_ekspolatacji_zloz_711[03].O1.05

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Energia elektryczna. Pomiary energii elektrycznej

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Obwód elektryczny

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Podstawowe prawa elektrotechniki

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Pomiary wielkości elektrycznych

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Transformator

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

4.6. Silniki prądu stałego. Silniki indukcyjne

4.6.1. Materiał nauczania

4.6.2. Pytania sprawdzające

4.6.3. Ćwiczenia

4.6.4. Sprawdzian postępów

4.7. Instalacje elektryczne

4.7.1. Materiał nauczania

4.7.2. Pytania sprawdzające

4.7.3. Ćwiczenia

4.7.4. Sprawdzian postępów

4.8. Urządzenia grzewcze. Technika oświetleniowa

4.8.1. Materiał nauczania

4.8.2. Pytania sprawdzające

4.8.3. Ćwiczenia

4.8.4. Sprawdzian postępów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Podstawy elektroniki

4.9.1. Materiał nauczania

4.9.2. Pytania sprawdzające

4.9.3. Ćwiczenia

4.9.4. Sprawdzian postępów

4.10. Elementy i układy automatyki

4.10.1. Materiał nauczania

4.10.2. Pytania sprawdzające

4.10.3. Ćwiczenia

4.10.4. Sprawdzian postępów

4.11. Mikroprocesory i sterowniki mikroprocesorowe

4.11.1. Materiał nauczania

4.11.2. Pytania sprawdzające

4.11.3. Ćwiczenia

4.11.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik ten pomoŜe Ci w przyswajaniu wiedzy z zakresu układów elektrycznych

i automatyki przemysłowej, umiejętności ich analizy i badania.

W Poradniku zamieszczono:

–

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

–

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

–

materiał nauczania – czyli wiadomości dotyczące obwodów elektrycznych prądu stałego,

–

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

–

wiczenia, które umoŜliwia Ci nabycie umiejętności praktycznych,

–

sprawdzian postępów,

–

literaturę.
W materiale nauczania zostały omówione zagadnienia dotyczące układów elektrycznych,

podstawowych  technik,  metod  i  przyrządów  pomiarowych,  instalacji  elektrycznych,  techniki
oświetleniowej  i  grzewczej  oraz  układów  automatyki  przemysłowej  i  sterowników
mikroprocesorowych.  Nauczyciel  pomoŜe  Ci  w  procesie  przyswajania  wiedzy  wskazując
te treści, które są kluczowe dla Twojego zawodu lub stanowią podstawę dalszego kształcenia.

Z rozdziałem „Pytania sprawdzające” moŜesz zapoznać się:

–

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

–

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

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

oznaczeń elementów,

–

dokumentacji technicznej urządzeń elektrycznych,

–

przeprowadzonych analiz schematów elektrycznych,

–

obliczeń wielkości elektrycznych,

–

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

postępów, zamieszczony po ćwiczeniach. W tym celu:
–

przeczytaj pytania i odpowiedz na nie,

–

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

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

Poznanie przez Ciebie wszystkich lub określonej części wiadomości z zakresu układów

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

711[03].O1

Techniczne podstawy zawodu

711[03].O1.01

Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony

przeciwpoŜarowej i ochrony

rodowiska

711[03].O1.02

Posługiwanie się dokumentacją

techniczną

711[03].O1.03

Stosowanie materiałów konstrukcyjnych

i eksploatacyjnych

812[02].O1.04

Rozpoznawanie elementów maszyn

i mechaniz

mów

711[03].O1.05

Analizowanie układów elektrycznych

i automatyki przemysłowej

711[03].O1.06

Stosowanie podstawowych technik wytwarzania

części maszyn

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej, powinieneś umieć:

−

rozróŜnić podstawowe wielkości określające energię elektryczną oraz określić ich
jednostki,

−

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

−

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

−

określić materiały izolujące i przewodzące,

−

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

−

rozróŜnić instalacje mieszkaniowe i przemysłowe,

−

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

−

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

−

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

−

przewidzieć zagroŜenia i ich skutki podczas pracy przy urządzeniach elektrycznych,

−

scharakteryzować przesył energii elektrycznej,

−

rozróŜnić napięcie przesyłowe i robocze,

−

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

−

wskazać róŜnice w budowie i pracy prądnicy i silnika,

−

określić parametry maszyn i urządzeń elektrycznych na podstawie tabliczki
znamionowej,

−

rozróŜnić podstawowe elementy elektroniczne,

−

rozróŜnić podstawowe elementy układu sterowania,

−

rozróŜnić elementy układów automatyki przemysłowej,

−

odczytać proste schematy układów automatycznej regulacji,

−

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

−

wyjaśnić zadanie stycznika i przekaźnika w układach sterowania,

−

wyjaśnić przeznaczenie poszczególnych członów układów automatycznej regulacji,

−

określić funkcje sterownika w układach sterowania,

−

wykorzystać programy komputerowe do sterowania procesami technologicznymi,

−

posłuŜyć się PN, katalogami oraz poradnikami,

−

zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony od poraŜeń prądem
elektrycznym, ochrony przeciwpoŜarowej podczas wykonywania pomiarów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Energia elektryczna. Pomiary energii elektrycznej

4.1.1. Materiał nauczania

Bezpieczeństwo i higiena pracy

Szczegółowe przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy dotyczące pracy z urządzeniami

elektrycznymi  zostały  szczegółowo  omówione  w  jednostce  modułowej  711[03].O1.01
„Przestrzeganie  przepisów  bezpieczeństwa  i  higieny  pracy,  ochrony  przeciwpoŜarowej.  Aby
zachować  bezpieczeństwo  podczas  pracy  przy  urządzeniach  elektrycznych  i  elektronicznych
naleŜy zachować następujące podstawowe zasady:
1)  wyłączyć  napięcie  we  wszystkich  częściach  urządzenia  przy  którym  będą  prowadzone

prace,

2) zabezpieczyć wyłączniki przed ponownym załączeniem (np. taśmą samoprzylepną),

wyjąć bezpieczniki, wywiesić informację o zakazie załączania,

3) sprawdzić stan napięcia (do sprawdzenia uŜyć dwubiegunowego próbnika napięć),
4) osłonić i oddzielić sąsiadujące elementy znajdujące się pod napięciem (moŜna

zastosować maty i ekrany izolacyjne).
Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczeń praktycznych polegających na

wykonywaniu pomiarów w układach elektrycznych, poprawność zmontowanego układu
powinien sprawdzić nauczyciel, a następnie powinien udzielić zgody na włączenie zasilania.

W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów

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

Podstawowe wielkości elektryczne

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

potencjał elektryczny, moc prądu elektrycznego, rezystancja, pojemność kondensatora,
indukcyjność cewki.

Pojęciem prądu elektrycznego określamy zjawisko uporządkowanego ruchu ładunków

elektrycznych  przez  przekrój  poprzeczny  środowiska  przewodzącego  (przewodnika
lub zjonizowanego  gazu  czy  cieczy)  pod  działaniem  pola  elektrycznego.  Jednostką  prądu
elektrycznego (natęŜenia prądu elektrycznego) jest amper [A].

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

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

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

W obwodach elektrycznych większości urządzeń powszechnego uŜytku oraz maszyn

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Prąd sinusoidalnie zmienny jednofazowy (przemienny).

Rys. 2. Wykres prądu sinusoidalnie zmiennego [4, s. 82]

Wielkości charakteryzujące prąd sinusoidalnie zmienny:

−

i =

sin

⋅

– wartość chwilowa,

−

– wartość maksymalna, czyli amplituda,

−

– prędkość kątowa, czyli tzw. pulsacja,

−

T – okres czyli czas jednego cyklu T =

2π

= [s],

−

f – częstotliwość określająca ilość cykli na sekundę f =

f = [Hz].

W praktyce posługujemy się wartością skuteczną prądu sinusoidalnie zmiennego,

oznaczoną symbolem I, której wartość mierzą mierniki elektryczne.

Tabela 1. Podstawowe wielkości elektryczne

wielkość elektryczna

symbol

nazwa jednostki

oznaczenie jednostki

prąd elektryczny

amper

napięcie elektryczne

wolt

potencjał elektryczny

wolt

rezystancja

Ω

pojemność

farad

indukcyjność

henr

moc elektryczna

wat

energia elektryczna

dŜul

Moc prądu stałego

Na skutek przepływu prądu w obwodzie elektrycznym elementy źródłowe oddają lub

pobierają  energię  elektryczną,  natomiast  elementy  odbiorcze,  zawsze  pobierają  energię
elektryczną.  W  obwodzie  elektrycznym  występuje  bilans  mocy,  w  myśl  którego  suma
algebraiczna  mocy  oddanych  (lub  pobranych)  przez  źródła  energii  elektrycznej  jest  równa
sumie mocy pobranych przez rezystory stanowiące odbiorniki.

Moc P pobierana przez elementy odbiorcze jest równa iloczynowi prądu I

przepływającego przez element i spadku napięcia U na nim:

⋅

Jednostką mocy jest wat [W].

Moc prądu sinusoidalnego

W obwodzie prądu sinusoidalnego wydziela się na nim moc czynna P moc bierna Q

i pozorna S.

Moc czynna P określona jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu oraz cosφ

kąta przesunięcia fazowego między przebiegami prądu i napięcia.

P = U ·I ·cosφ

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Jednostką mocy czynnej jest wat [W], a cosφ zwany jest współczynnikiem mocy.
Moc bierna Q określona jest jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu oraz sinφ

kąta przesunięcia fazowego między przebiegami prądu i napięcia. Jednostką mocy biernej jest
war [var]. Moc pozorna (S) stanowi iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu, jej
jednostką mocy pozornej jest woltoamper [V·A]

Q = U ·I · sinφ; S = U ·I

Energia elektryczna

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

zmienia ją na inny rodzaj energii np. Ŝarówka jako odbiornik zamienia energię elektryczną na
ś

wietlną. Odbiornik moŜe równieŜ wykonywać określona pracę np. silnik elektryczny porusza

ramię robota przemysłowego. Energię elektryczną pobieraną przez urządzenie oblicza się jako
iloczyn natęŜenia prądu płynącego przez odbiornik, napięcia na odbiorniku i czasu przepływu
prądu przez odbiornik.

⋅

Jednostką energii elektrycznej jest dŜul [J].

[ ] [ ] [ ]

⋅

ZuŜycie energii elektrycznej w gospodarstwach domowych i zakładach przemysłowych

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

Rodzaje źródeł energii elektrycznej

KaŜde źródło energii elektrycznej jest w istocie przetwornikiem innej postaci energii

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

ródła elektromechaniczne to przetworniki energii mechanicznej w elektryczną –

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ródła chemiczne wytwarzają energię elektryczną dzięki reakcjom chemicznym.

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

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

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

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

mogą być rozładowywane i ponownie ładowane.

Ogniwa pierwotne łączy się w baterie w celu uzyskania, np. większego napięcia.

Akumulator jest ogniwem wtórnym (odwracalnym), poniewaŜ moŜe być wielokrotnie
wyładowywany i ponownie naładowywany. SłuŜy on do magazynowania energii elektrycznej.
Parametrami akumulatorów są sprawność pojemnościowa i sprawność energetyczna.

ródła cieplne zamieniają energię cieplną na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie

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

Wytwarzanie energii elektrycznej na skalę przemysłową

Energię elektryczną na skalę przemysłową produkują elektrownie. Przetwarzają one

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

−

sieci przesyłowe, słuŜące do przesyłania energii elektrycznej na większą odległość, są to
sieci o napięciach najczęściej: 220 kV, 400 kV, 750 kV,

−

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

Podział materiałów ze względu na właściwości elektryczne

Materiały uŜywane w obwodach elektrycznych i elektronicznych mają róŜne własności

elektryczne tzn. w róŜny sposób przewodzą lub teŜ nie przewodzą prądu elektrycznego. Ze
względu na to dzielimy je na: przewodniki, półprzewodniki, dielektryki.

Przewodniki bardzo dobrze przewodzą prąd elektryczny. Ze względu na budowę i rodzaj

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

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

stosowane są np. w akumulatorach.

Dielektryki zwane inaczej izolatorami nie wykazują zdolności przewodzenia prądu

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

Półprzewodniki pod względem przewodnictwa prądu elektrycznego zajmują pośrednie

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

Półprzewodniki znalazły zastosowanie w elementach i scalonych układach elektronicznych,
takich jak diody, tranzystory, wzmacniacze operacyjne i wielu innych.

Podział materiałów ze względu na właściwości magnetyczne

Ze względu na właściwości magnetyczne materiały dzielimy na:

−

ferromagnetyczne – które pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego łatwo
i trwale się magnesują (są to: stal elektrotechniczna, ferryty),

−

paramagnetyczne  –  które  pod  wpływem  zewnętrznego  pola  magnetycznego  równieŜ  się
magnesują,  lecz  szybko  tracą  właściwości  magnetyczne  (są  to:  platyna,  powietrze,
aluminium),

−

diamagnetyczne  –  które  nie  posiadają  własności  magnetycznych  (są  to:  woda,  rtęć,
miedź, wszystkie gazy szlachetne takie jak np. neon, argon, ksenon, krypton).
Materiały ferromagnetyczne dzielimy na:

−

miękkie – stosowane do budowy: silników elektrycznych (blachy twornika),
przekaźników, transformatorów sieciowych, cewek z rdzeniem (ferryty),

−

twarde – stosowane do budowy magnesów trwałych.

4.1.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie znasz podstawowe wielkości elektryczne?
2.  Jakie znasz rodzaje prądu elektrycznego?
3.  Jakie wielkości charakteryzują prąd sinusoidalnie zmienny?
4.  Jaka  moc  wydziela  się  w  obwodzie  prądu  stałego,  a  jaka  w  obwodzie  prądu

przemiennego?

5.  Jakie znasz rodzaje źródeł energii elektrycznej?
6.  Jakim urządzeniem mierzone jest zuŜycie energii elektrycznej?
7.  Jakie znasz źródła elektromechaniczne?
8.  Jak znasz chemiczne źródła energii elektrycznej?
9.  Czym róŜni się akumulator od ogniwa galwanicznego?
10. W jaki sposób energia elektryczna jest przesyłana do odbiorców?
11. Jak dzielimy materiały ze względu na właściwości elektryczne?
12. Jak dzielimy materiały ze względu na właściwości magnetyczne?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Połącz symbole wielkości elektrycznych z odpowiadającymi im oznaczeniami jednostek,

jeden z symboli nie będzie miał pary.

Symbol wielkości elektrycznej

Oznaczenie jednostki

Ω

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

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

WyposaŜenie stanowiska pracy:

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Określ, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe:

Zdanie:

prawda

fałsz

W obwodzie prądu stałego wydziela się moc pozorna.

Materiały, które nie ulegają magnesowaniu to diamagnetyki.

Jednostka prądu elektrycznego jest wolt [V].

Sieci energetyczne słuŜą do przesyłu i rozdziału energii elektrycznej.

Moc wydzielona na rezystorze w obwodzie prądu stałego jest określona zaleŜnością:

⋅

Izolatory nie przewodzą prądu elektrycznego.

Napięcie wyraŜamy w watach [W].

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeczytać treści z poradnika dotyczące energii elektrycznej i podstawowych wielkości

elektrycznych,

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

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Oblicz moc wydzieloną na rezystorze, przez który płynie prąd stały I = 20 mA,

zmierzony spadek napięcia wynosi U = 5 V.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapisać wzór określający moc prądu stałego,
2)  podstawić wartości liczbowe,
3)  dokonać niezbędnych obliczeń,
4)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) przyporządkować wielkościom elektrycznym odpowiednie jednostki?

2) narysować przebieg czasowy prądu stałego?

3) narysować przebieg czasowy prądu sinusoidalnie zmiennego?

4) określić parametry prądu sinusoidalnie zmiennego?

5) obliczyć moc prądu stałego?

6) scharakteryzować moc w obwodach prądu zmiennego?

7) wymienić rodzaje źródeł energii elektrycznej?

8) opisać budowę i zasadę działanie prądnicy?

9) scharakteryzować przesył energii elektrycznej?

10) podać przykłady przewodników?

11) podać przykłady izolatorów?

12) scharakteryzować materiały ze względu na własności magnetyczne?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Obwód elektryczny

4.2.1. Materiał nauczania

Budowa obwodów elektrycznych prądu stałego i przemiennego

Obwód elektryczny prądu stałego i przemiennego tworzą elementy elektryczne połączone

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

Elementy obwodu elektrycznego moŜna sklasyfikować w czterech grupach, jako:
–

elementy źródłowe, zwane teŜ aktywnymi lub czynnymi,

–

elementy odbiorcze zwane teŜ pasywnymi lub biernymi,

–

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

–

przyrządy pomiarowe, takie jak woltomierze, amperomierze, itp.
Elementy bierne moŜna podzielić na trzy grupy: rezystory, kondensatory i cewki oraz

przetworniki energii elektrycznej.

Literatura techniczna i dokumentacja wszystkich urządzeń elektrycznych zawierają

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

Wszystkie elementy elektryczne posiadają swoje symbole graficzne, za pomocą których

przedstawiane są na schemacie.

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

d) potencjometru, e) amperomierza, f) woltomierza, g) watomierza, h) omomierza, i) źródła napięcia
stałego, j) źródła prądu stałego, k) bezpiecznika, l) łącznika [1, s. 39]

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

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

MoŜemy zatem zauwaŜyć, Ŝe:

–

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

–

obwód nierozgałęziony posiada jedną gałąź,

–

obwód nierozgałęziony stanowi jedno oczko.

Elementy R, L, C w obwodzie prądu sinusoidalnego

W obwodzie prądu sinusoidalnie zmiennego na rezystorze prąd zamienia się zgodnie

ze zmianami napięcia w czasie.

W obwodzie prądu przemiennego kondensator reprezentuje bierny opór pojemnościowy

zwany reaktancją pojemnościową, której jednostką jest om [Ω].

Przebieg prądu płynącego przez kondensator wyprzedza w fazie o kąt π/2 (90º) napięcie

panujące na kondensatorze.

W obwodzie prądu przemiennego cewka reprezentuje bierny opór indukcyjny

zwany

reaktancją indukcyjną, której jednostką jest om [Ω].

= ω·L

Przebieg prądu płynącego przez cewkę opóźnia się w fazie o kąt π/2 (90º) względem

spadku napięcia na cewce.

Typy połączeń elementów w obwodzie elektrycznym prądu stałego i przemiennego

Elementy obwodu elektrycznego prądu stałego i przemiennego mogą być połączone

na trzy sposoby: szeregowo, równolegle lub mieszanie.

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

nierozgałęziony jest przykładem połączenia szeregowego.

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

występuje na nich to samo napięcie.

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

mieszany

Połączenie mieszane elementów elektrycznych występuje wówczas, gdy w tym samym

obwodzie część elementów połączona jest szeregowo, część natomiast równolegle.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Obwody trójfazowe

Układem trójfazowym nazywamy zbiór trzech obwodów elektrycznych, w którym

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

ródło trójfazowe skojarzone w gwiazdę moŜe stanowić układ trójprzewodowy lub

czteroprzewodowy, jeśli punkt neutralny jest doprowadzony do odbiornika.

Rys. 7. Układ trójfazowy: a) trójprzewodowy, b) czteroprzewodowy [6, s. 100]

Na zaciskach źródła trójfazowego skojarzonego w gwiazdę rozróŜniamy napięcia:

−

fazowe – U

, U

; są to napięcia pomiędzy zaciskiem fazowym a punktem

neutralnym,

−

międzyfazowe – U

L12

, U

L23

, U

L31

; są to napięcia występujące pomiędzy przewodami

fazowymi.

Układy odbiorników trójfazowych

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

połączenie w trójkąt i gwiazdę.

Rys. 8. Połączenie odbiorników trójfazowych: a) w gwiazdę, b) w trójkąt [9, s. 39]

Odbiorniki trójfazowe mogą być:

−

symetryczne – jeśli obciąŜenie kaŜdej gałęzi jest takie samo,

−

niesymetryczne.

4.2.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jak klasyfikujemy obwody elektryczne prądu stałego i zmiennego jednofazowego?
2.  Co przedstawia schemat elektryczny?
3.  Jak moŜna sklasyfikować elementy elektryczne?
4.  W jaki sposób mogą być połączone elementy w obwodach prądu stałego i przemiennego?
5.  Jaki opór reprezentuje cewka w obwodzie prądu przemiennego?
6.  Jaki opór reprezentuje kondensator w obwodzie prądu przemiennego?
7.  Co nazywamy układem trójfazowym?
8.  W jaki sposób moŜe być połączone źródło trójfazowe?
9.  Jakie rozróŜniamy układy odbiorników trójfazowych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ, jakie elementy elektryczne wchodzą w skład obwodu, którego schemat

przedstawia rysunek. Jaki to jest obwód elektryczny?

Rysunek do ćwiczenia 1. Schemat obwodu elektrycznego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować schemat obwodu elektrycznego,
2)  rozpoznać symbole graficzne elementów elektrycznych na schemacie,
3)  określić typ obwodu przedstawionego na schemacie,
4)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Określ sposób połączenia elementów elektrycznych na schemacie.

Rysunek do ćwiczenia 2. Schemat rozgałęzionego obwodu elektrycznego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować schemat obwodu elektrycznego,
2)  określić sposób połączenia elementów w obwodzie,
3)  zaznaczyć elementy połączone szeregowo i równolegle,
4)  zaprezentować wyniki swojej pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Oblicz reaktancję indukcyjną cewki o indukcyjności L = 33 mH, przez którą płynie prąd

przemienny o częstotliwości 10 kHz?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapisać wzór na reaktancję indukcyjną cewki,
2)  podstawić dane liczbowe,
3)  obliczyć wartość reaktancji indukcyjnej,
4)  zaprezentować wyniki.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

kalkulator,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) rozróŜnić symbole elementów elektrycznych?

2) narysować

schemat

przykładowego

nierozgałęzionego

obwodu

elektrycznego?

3) narysować schemat przykładowego rozgałęzionego obwodu elektrycznego?

4) rozróŜnić typ obwodu elektrycznego?

5) rozróŜnić elementy połączone szeregowo i szeregowo na schemacie

obwodu prądu stałego i przemiennego?

6) rozróŜnić elementy połączone równolegle na schemacie obwodu prądu

stałego i jednofazowego zmiennego?

7) obliczyć reaktancję indukcyjną?

8) scharakteryzować

kondensator

zasilony

prądem

przemiennym

jednofazowym

9) rozróŜnić źródło trójfazowe w układzie czteroprzewodowym?

10) rozróŜnić źródło trójfazowe w układzie trójprzewodowym?

11) określić układy połączenia odbiornika trójfazowego?

12) narysować schematy połączeń odbiornika trójfazowego w trójkąt?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.

Podstawowe prawa elektrotechniki

4.3.1. Materiał nauczania

Prawo Ohma

Prawo Ohma opisuje zaleŜność pomiędzy prądem I, napięciem U oraz rezystancją R.

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

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

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

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

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

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

U = R I

Prawo Ohma moŜna przekształcić do dwóch postaci:

−

, skąd moŜna obliczyć wartość prądu płynącego przez rezystor znając jego

rezystancję i wartość spadku napięcia,

−

, skąd moŜna obliczyć wartość rezystancji rezystora znając jego wartość spadku

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

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

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

Natomiast dla wartości maksymalnych: U

= R I

Prawo Ohma stosuje się równieŜ w obwodach prądu przemiennego jednofazowego dla

reaktancji indukcyjnej X

i pojemnościowej X

−

w odniesieniu do wartości skutecznych:

⋅

−

w odniesieniu wartości maksymalnych:

⋅

I prawo Kirchhoffa

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

algebraiczna prądów jest równa zeru.

∑

Symbol

odpowiada indeksom prądów w danym węźle. Suma algebraiczna oznacza, Ŝe

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 10. Przykładowy węzeł obwodu elektrycznego

Na rysunku 10 pokazano przykładowy węzeł obwodu elektrycznego z zaznaczonymi

kierunkami prądów: prądy I

oraz I

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

prądy I

, I

oraz I

i I

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

przedstawionego węzła moŜna napisać równanie w myśl I prawa Kirchhoffa:

−

Równanie to moŜemy przekształcić do postaci:

= 0

Po jednej stronie równania znajduje się suma prądów dopływających do węzła, natomiast

po drugiej suma prądów odpływających z węzła.

Zatem I prawo Kirchhoffa wynikające z powyŜszej postaci moŜna przedstawić

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

Prawo I Kirchhoffa naleŜy stosować w obwodach prądu zmiennego jednofazowego

w odniesieniu do wartości chwilowych prądów.

∑

II prawo Kirchhoffa

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

suma algebraiczna napięć źródłowych i odbiornikowych jest równa zeru.

∑

= 0

oznacza napięcia źródłowe, natomiast wyraŜenie

oznacza napięcia

odbiornikowe występujące na rezystancjach danego oczka. Symbole

odpowiadają

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

W obwodach prądu zmiennego jednofazowego II prawo Kirchhoffa naleŜy stosować

w odniesieniu do wartości chwilowych napięć źródłowych i odbiornikowych.

∑

⋅

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

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

1. Jak zaznaczamy kierunek prądu w obwodach prądu stałego?
2. Jak zaznaczamy kierunek prądu i napięcia na elementach źródłowych, a jak na

odbiorczych w obwodach prądu stałego?

3.  Jaką zaleŜność określa prawo Ohma?
4.  Jakie znaki przyjmują prądy odpływające od węzła, a jakie dopływające do niego?
5.  Jak brzmi I prawo Kirchhoffa dla obwodów prądu stałego?
6.  Jak brzmi I prawo Kirchhoffa dla obwodów prądu przemiennego jednofazowego?
7.  Jak brzmi II prawo Kirchhoffa dla obwodów prądu stałego?
8.  Jak brzmi II prawo Kirchhoffa dla obwodów prądu przemiennego jednofazowego?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz wartość spadku napięcia U w obwodzie prądu stałego, który wystąpił na

rezystorze R = 2,2 k

Ω

przy przepływie prądu I o wartości 5 mA.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapisać prawo Ohma w podstawowej postaci,
2)  podstawić wartości liczbowe,
3)  wykonać obliczenia,
4)  zaprezentować wyniki.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

kalkulator,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Oblicz wartość skuteczną I prądu przemiennego o częstotliwości f = 1 kHz, płynącego

przez kondensator o pojemności C = 1

F, jeśli woltomierz wskazał spadek napięcia U

= 5 V.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapisać wzór na reaktancję pojemnościową,
2) zapisać prawo Ohma w podstawowej postaci dla obwodu prądu przemiennego

z reaktancją pojemnościową,

3)  przekształcić zapisaną zaleŜność, tak by moŜna było obliczyć wartość skuteczną prądu I,
4)  podstawić do przekształconego wzoru zaleŜność opisującą reaktancję pojemnościową,
5)  podstawić do otrzymanego wzoru dane liczbowe i obliczyć wartość skuteczną prądu I,
6)  zaprezentować wyniki.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

kalkulator,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

W obwodzie z rysunku zaznacz kierunki prądów i zapisz I prawo Kirchhoffa dla

wszystkich węzłów tego obwodu.

Rysunek do ćwiczenia 3. Schemat obwodu rozgałęzionego prądu stałego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować treść zadania,
2)  oznaczyć węzły na schemacie,
3)  zaznaczyć prądy w kaŜdej gałęzi obwodu,
4)  zapisać I prawo Kirchhoffa dla kaŜdego z węzłów danego obwodu,
5)  zaprezentować wyniki pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) obliczyć wartość rezystancji w obwodach prądu stałego i zmiennego

jednofazowego na podstawie prawa Ohma?

2) zastosować prawo Ohma do obliczenia wartości spadków napięcia

i prądów w obwodach prądu stałego i przemiennego?

3) analizować obwody prądu przemiennego zawierającego kondensator

lub cewkę?

4) zaznaczyć kierunek prądu w obwodzie prądu stałego?

5) zaznaczyć kierunki spadków napięcia na elementach w obwodzie prądu

stałego?

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

7) wyjaśnić II prawo Kirchhoffa?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Pomiary wielkości elektrycznych

4.4.1. Materiał nauczania

Bezpośrednia i pośrednia metoda pomiaru wielkości elektrycznych

Metoda pomiarowa określa sposób wykonania pomiaru. Pomiary wielkości elektrycznych

moŜna wykonywać metodami bezpośrednimi lub pośrednimi.

W metodach bezpośrednich wartość wielkości mierzonej odczytuje się bezpośrednio

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

W metodach pośrednich wykonuje się pomiary innych wielkości elektrycznych niŜ

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

Elektroniczne przyrządy pomiarowe

Rys. 11. Miernik uniwersalny [11]

Pomiary wielkości elektrycznych wykonujemy elektrycznymi i elektronicznymi

przyrządami  pomiarowymi.  WyróŜniamy  dwa  rodzaje  przyrządów  pomiarowych:  analogowe
oraz  cyfrowe.  W  przyrządach  analogowych  elementem  wskazującym  jest  najczęściej
klasyczny miernik wskazówkowy wyskalowany w jednostkach wielkości mierzonej. Mierniki
cyfrowe  pozwalają  na  bezpośredni  odczyt  wartości  wielkości  mierzonej  ze  wskaźnika
cyfrowego  lub  z  rejestratorów  (np.  drukarki),  moŜna  w  ten  sposób  uniknąć  błędu
popełnianego  przy odczycie wskazań. Główne zalety mierników cyfrowych duŜa dokładność
i szybkość  pomiarów,  automatyczny  wybór  polaryzacji,  moŜliwość  automatycznego  wyboru
zakresu,

moŜliwość

„zapamiętywania”

wyników

pomiarów

oraz

współpracy

z komputerowymi systemami pomiarowo-kontrolnymi i sterującymi.

Powszechnie uŜywane obecnie są mierniki uniwersalne – multimetry, które mogą

pracować jako amperomierze, woltomierze czy omomierze.

Posiadają one kilka gniazd odpowiednio opisanych oraz pokrętło lub panel przycisków,

umoŜliwiające  wybór  trybu  pracy  przyrządu,  czyli  rodzaj  mierzonej  wielkości  elektrycznej
i  zakres  pomiarowy  (maksymalną  wartość  wielkości  mierzonej).  Niektóre  nowoczesne
mierniki  uniwersalne  mają  równieŜ  dodatkowe  funkcje  umoŜliwiające  pomiar  pojemności,
parametrów tranzystora bipolarnego, stosunku dwóch napięć oraz temperatury.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Pomiar rezystancji

Pomiaru rezystancji elementów elektrycznych wykonuje się omomierzem w sposób

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

Pomiar napięcia

Pomiar napięcia wykonuje się za pomocą woltomierza, który włączany jest równolegle

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

Pomiar prądu.

Pomiaru prądu dokonuje się za pomocą amperomierza, który włączany jest szeregowo do

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

Ω

W obwodach prądu stałego, jednofazowego zmiennego i trójfazowego pomiarów

napięcia i prądu dokonuje się w ten sam sposób.

Rys. 12. Schemat układu do pomiaru: a) rezystancji omomierzem b) napięcia na rezystorze R

, c) prądu

Pomiar mocy

Pomiaru mocy w układach prądu stałego oraz mocy czynnej wydzielonej na rezystancji

w obwodach prądu zmiennego jednofazowego moŜna dokonać metodą bezpośrednią za
pomocą watomierza lub w sposób pośredni metodą techniczną.

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

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

Metoda techniczna polega na pomiarze spadku napięcia woltomierzem i prądu

amperomierzem.

Rys. 13. Układy do pomiaru mocy: a) prądu stałego metodą bezpośrednią, b) prądu stałego metodą techniczną,

c) czynnej prądu przemiennego metodą bezpośrednią i techniczną

W metodzie tej wartość mocy oblicza się na podstawie zaleŜności:

−

dla prądu stałego:

⋅

−

dla prądu przemiennego:

cos

⋅

, dla odbiorników rezystancyjnych

cos

gdzie: U – to wartość napięcia zmierzonego woltomierzem,

I – to wartość prądu zmierzonego amperomierzem.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakimi metodami mierzone są wielkości elektryczne?
2.  Jaka jest róŜnica między miernikiem cyfrowym, a analogowym?
3.  Jakim miernikiem wykonujemy pomiar napięcia?
4.  Jakim miernikiem wykonujemy pomiar prądu?
5.  Jakim miernikiem wykonujemy pomiar rezystancji?
6.  Jakim miernikiem wykonujemy bezpośredni pomiar mocy?
7.  Czym charakteryzuje się miernik uniwersalny?
8.  Na jakie sposoby moŜna mierzyć moc w układach prądu stałego?
9.  Jaką moc moŜna mierzyć w obwodzie prądu przemiennego za pomocą watomierza?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj pomiary spadku napięcia na rezystorze R

Rysunek do ćwiczenia 1. Schemat układu do pomiaru prądu stałego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

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

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

rezystory: R = 1 k

Ω

/ 1 W, R = 1,8 k

Ω

/ 1 W, R = 2,2 k

Ω

/ 1 W,

–

zasilacz +15 V,

–

miernik uniwersalny cyfrowy.

Ćwiczenie 2

Dobierz miernik i wykonaj pomiar rezystancji pięciu rezystorów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować treść zadania,
2) narysować schemat pomiarowy,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

WyposaŜenie stanowiska pracy:

– rezystory: R = 1 k

Ω

/ 1 W, R = 1,8 k

Ω

/ 1 W, R = 2,2 k

Ω

/ 1 W, R = 820

Ω

/ 2 W,

R = 1,5 k

Ω

/ 1 W,

–  uniwersalny miernik cyfrowy,
–  uniwersalny miernik analogowy,
–  watomierz.

Ćwiczenie 3

Wykonaj pomiary mocy czynnej w obwodzie prądu przemiennego.

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

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować treść zadania,
2)  zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne zapisując ich oznaczenia,
3)  połączyć układ pomiarowy,
4)  zasilić obwód napięciem przemiennym z autotransformatora o wartości skutecznej 70 V,
5)  wykonać pomiary prądów, napięć i mocy,
6)  obliczyć  wartość  mocy  czynnej  na  podstawie  wskazań  woltomierza  i  amperomierza,

korzystając ze wzoru:

cos

⋅

, przyjmując

cos

7)  porównać obliczoną wartość mocy ze wskazaniem watomierza,
8)  oszacować dokładność pomiarów, sformułować wnioski,
9)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

autotransformator,

–

multimetr cyfrowy i analogowy,

–

watomierz,

–

rezystor R = 100

Ω

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) dobrać miernik do pomiaru określonej wielkości elektrycznej?

2) wybrać tryb pracy miernika uniwersalnego do pomiaru określonej

wielkości elektrycznej?

3) wykonać pomiaru napięcia w obwodach prądu stałego i przemiennego?

4) wykonać pomiaru prądu w obwodach prądu stałego i przemiennego?

5) wykonać pomiaru rezystancji?

6) wykonać pomiaru mocy prądu stałego metodą bezpośrednią

i pośrednią?

7) wykonać pomiaru mocy czynnej przemiennego prądu jednofazowego

metodą bezpośrednią i pośrednią?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Transformator

4.5.1. Materiał nauczania

Transformator

Rys. 14. Transformator idealny: a) schemat b) symbol transformatora bez rdzenia, c) symbol transformatora

z rdzeniem [13]

Transformator jest urządzeniem elektroenergetycznym, w którym następuje przekazanie

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

O takich uzwojeniach mówimy, Ŝe są sprzęŜone magnetycznie.
Ze względu na budowę rozróŜniamy transformatory

−

z  rdzeniem  ferromagnetycznym  –  w  którym  uzwojenia  nawinięte  na  rdzeniu  (słuŜącym
do  przewodzenia  strumienia  magnetycznego)  wykonanym  z  blach  elektrotechnicznych
odizolowanych  od  siebie  lakierem,  warstwą  tlenków  lub  specjalną  izolacją;  poziome
elementy rdzenia nazywamy jarzmem, a pionowe kolumnami,

−

transformatory powietrzne nie posiadają rdzenia lub jest on wykonany z materiału nie
wykazującego właściwości magnetycznych.
Zadaniem transformatora jest zmiana wartości zmiennego napięcia elektrycznego,

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

do liczby zwojów

uzwojenia wtórnego N

Transformatory mogą być równieŜ stosowane w celu oddzielenia (czyli separacji

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

Podstawowe parametry transformatorów podawane w katalogach elementów i urządzeń

elektrycznych i elektronicznych to:

−

napięcie znamionowe strony pierwotnej i wtórnej,

−

prądy znamionowe strony pierwotnej i wtórnej,

−

grupa połączeń (dla transformatorów trójfazowych),

−

przekładnia napięciowa,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

moc pozorna,

−

sprawność,

−

wymiary geometryczne i masa.

Stany pracy transformatora

Transformator moŜe pracować w trzech stanach pracy: obciąŜenia, jałowym i zwarcia.
Stan obciąŜenia jest podstawowy stanem pracy transformatora. Uzwojenie pierwotne jest

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

Jeśli uzwojenie pierwotne jest zasilane napięciem znamionowym, a uzwojenie wtórne jest

rozwarte to transformator pracuje w stanie jałowym. Prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym,
zwany prądem jałowym, jest bardzo mały – w transformatorach mocy stanowi około 1–10%
prądu znamionowego, natomiast po stronie wtórnej prąd nie płynie.

W stanie zwarcia do uzwojenia pierwotnego transformatora jest doprowadzone napięcie

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

Stan zwarcia jest niebezpieczny dla transformatorów, poniewaŜ całkowita moc pobrana

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

Zwarcie występujące przy pełnym napięciu zasilającym nazywamy zwarciem

awaryjnym.

Podstawowe zastosowanie transformatorów

Transformator jest podstawowym elementem zasilaczy sieciowych i przetwornic

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

−

autotransformatory – posiadają tylko jedno uzwojenie (część uzwojenia jest wspólna
zarówno dla pierwotnego jak i wtórnego napięcia),

−

transformatory trójuzwojeniowe – posiadają po trzy uzwojenia na kaŜdej kolumnie,
są stosowane w energetyce,

−

przekładniki prądowe i napięciowe – stosowane w celu obniŜenia wartości napięcia lub
prądu dla dokonania pomiarów lub dla galwanicznego oddzielenia obwodu pomiarowego
od sieci wysokiego napięcia,

−

transformatory spawalnicze,

−

transformatory wielkiej częstotliwości – stosowane w sprzęcie elektronicznym,

−

transformator separujący jest uŜywany do zasilania urządzeń napięciem odizolowanym
od podstawowej sieci zasilającej,

−

transformatory bezpieczeństwa i pośrednie – uŜywane do celów ochronnych, aby
ograniczyć ryzyko poraŜenia prądem w urządzeniach elektrycznych i przedmiotach
powszechnego uŜytku,

−

transformatory dzwonkowe – przeznaczone do dzwonków drzwiowych i podobnych
zastosowań,

−

transformatory małej częstotliwości do zastosowań Hi–Fi.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie jest zadanie transformatora?
2.  W jaki sposób zbudowany jest transformator?
3.  Czym  róŜni  się  transformator  z  rdzeniem  ferromagnetycznym  od  transformatora

powietrznego?

4.  Jakie znasz stany pracy transformatora?
5.  W jakim stanie transformator pracuje najczęściej?
6.  Jaki stan pracy transformatora jest niebezpieczny i dlaczego?
7.  Jakie znasz typy transformatorów specjalnych?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Odszukaj na elektrycznym schemacie ideowym symbol transformatora. Określ

na podstawie dokumentacji technicznej parametry wykorzystanego transformatora.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z dokumentacja techniczną,
2)  odszukać elektryczny schemat ideowy,
3)  przeanalizować odszukany schemat,
4)  rozpoznać na schemacie ideowym symbol transformatora,
5)  określ na podstawie dokumentacji technicznej parametry wykorzystanego transformatora,
6)  zaprezentować wyniki.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna urządzenia elektronicznego,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Podaj przykłady zastosowania transformatorów w urządzeniach odkrywkowej

eksploatacji złóŜ.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać we wskazanej literaturze opis techniczny typowych urządzeń odkrywkowej

eksploatacji złóŜ,

2)  zapoznać się ze schematami ich budowy,
3)  określić w których z poznanych urządzeń został zastosowany transformator,
4)  określić jaki to typ transformatora,
5)  scharakteryzować zadanie jakie pełni w urządzeniu,
6)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) rozróŜnić elementy budowy transformatora?

2) scharakteryzować zasadę działania transformatora?

3) rozpoznać symbol transformatora na elektrycznym schemacie

ideowym?

4) określić na podstawie katalogu elementów elektronicznych parametry

danego transformatora?

5) scharakteryzować zastosowania transformatorów specjalnych?

6) scharakteryzować stany pracy transformatora?

7) wyjaśnić dlaczego stan zwarcia jest niebezpieczny?

8) podać przykłady zastosowania transformatorów w urządzeniach

odkrywkowej eksploatacji złóŜ?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6. Silniki prądu stałego. Silniki indukcyjne

4.6.1. Materiał nauczania

Silnik

Silnik to maszyna elektryczna zamieniająca energię elektryczną na mechaniczna.
Silnik prądu stałego składają się z następujących podstawowych elementów:

−

nieruchomego stojana wytwarzającego pole magnetyczne,

−

ruchomego wirnika z uzwojeniami twornika,

−

szczotek – doprowadzających prąd do uzwojenia twornika,

−

komutatora czyli pierścienia ze stykami – słuŜącego do zmiany kierunku prądu.
Zazwyczaj w stojanie do wytworzenia pola magnetycznego wykorzystuje się

elektromagnesy.

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

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

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

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

Uzwojenia główne wytwarzają pole magnetyczne, natomiast uzwojenie pomocnicze,

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

Rys. 15. Przekrój silnika prądu stałego [12]

Szczotki zazwyczaj węglowe, ślizgają się po komutatorze, co umoŜliwiają połączenie

obracającego się uzwojenia wirnika z zasilającym je źródłem prądu stałego.

Komutator wykonany jest w postaci wielu miedzianych wycinków, wzajemnie

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

Obecnie najczęściej produkuje się komutatorowe silniki prądu stałego.
Opisany powyŜej silnik prądu stałego nazywany jest obcowzbudnym stosowany jest

głównie w napędach wymagających regulacji prędkości w szerokim zakresie obrotów.

Ze względu na sposób wytwarzania pola magnetycznego wyróŜniamy teŜ silniki prądu

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

tramwajów,  trolejbusów)  i  pojazdach  mechanicznych  (wózki  akumulatorowe,  rozruszniki
samochodów), w napędach dźwigów, wentylatorów, itp. Mogą być, jako jedyne silniki prądu
stałego,  zasilane  równieŜ  prądem  przemiennym  –  zwane  są  wówczas  silnikami
uniwersalnymi.  Znalazły  one  zastosowanie  w  urządzeniach  wymagających  duŜych  prędkości
obrotowych  napędu,  np.  w  odkurzaczach,  elektronarzędziach,  suszarkach,  sokowirówkach,
mikserach,  itp.  Silniki  równoległe  stosowane  są  głównie  w  napędach  obrabiarek,  pomp,
dmuchaw,  kompresorów.  Silniki  szeregowo-równoległe  stosowany  są  zazwyczaj  jako  silniki
duŜych mocy, tam gdzie występuje cięŜki rozruch: w napędach walcarek, pras, dźwigów oraz
w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych.
Silnik indukcyjnyNajczęściej stosowanym w przemyśle oraz w sprzęcie domowym silnikiem
elektrycznym  jest  silnik  indukcyjny  zwany  teŜ  asynchronicznym.  Charakteryzuje  się  prostą
konstrukcją,  a moc  silników  asynchronicznych  przyjmuje  wartości  od  ułamków  kilowatów
(w mikrosilnikach) do kilku megawatów.

Rys. 16. Przekrój silnika indukcyjnego [12]

Silnik indukcyjny składa się z dwóch zasadniczych części: nieruchomego stojana

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

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

zmniejszyć prawdopodobieństwo uszkodzenia na skutek drgań mechanicznych. Ze względu
budowę wirnika rozróŜnia się silniki indukcyjne: klatkowe i pierścieniowe, które obecnie są
rzadko stosowane.

W silniku indukcyjnym klatkowym konstrukcja wirnika wyglądem przypomina klatkę

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

Obwód magnetyczny wirnika wykonany jest w postaci pakietu blach stalowych

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

Uzwojenia silnika klatkowego stojana wytwarza wirujące pole magnetyczne obracające

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

Silnik pierścieniowy na uzwojenie wirnika na stałe połączone zwykle z trzema

pierścieniami ślizgowymi (uzwojenie wirnika najczęściej jest 3-fazow). Jest ono wykonane

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

podobnie do uzwojenia stojana. Uzwojenia wirnika połączone są z dodatkowymi elementami,
zwiększającymi rezystancje kaŜdej fazy za pośrednictwem przylegających do pierścieni
szczotek. Zmianę rezystancji faz stosuje się dla rozruchu, hamowania i zmiany prędkości
silnika. Obecnie ze względu na zbyt skomplikowana budowę konstrukcja ta jest raczej rzadko
stosowana.

Silniki klatkowe (o mocy do 4,5 kW) uruchamiamy przez bezpośrednie włączenie silnika

do sieci lub za pomocą przełącznika gwiazda – trójkąt.

Przełącznik gwiazda– trójkąt stosuje się w celu zmniejszenia prądu rozruchu. Prądy

pobierane z sieci są 3 razy mniejsze niŜ przy rozruchu bezpośrednim. Wadą tego rozruch jest
trzykrotne zmniejszenie momentu rozruchowego silnika.

Rys. 17. Schemat układu sterowania silnika klatkowego samoczynnym przełącznikiem gwiazda – trójkąt:

a) obwód główny, b) obwód sterowania [8, s. 120]

Uruchomienie silnika pierścieniowego odbywa się za pomocą rozrusznika włączonego

w obwód wirnika.

Silniki indukcyjne jednofazowe są silnikami małej mocy stosowanymi w róŜnego rodzaju

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

Posiadają one wirnik o uzwojeniu klatkowym i stojan o uzwojeniu jednofazowym.

Mikrosilniki mają inną budowę stojana niŜ silników trójfazowych duŜej mocy. Stosuje się tu
uzwojenia  skupione  nawinięte  na  biegunach,  a  nie  ułoŜone  w  Ŝłobkach.  Jedno  z  uzwojeń
nazywane jest głównym lub roboczym (zaciski oznaczone U1 – U2). Jest ono zasilane przez
cały  czas  pracy  silnika.  Drugie  z  uzwojeń  nazywa  się  uzwojeniem  pomocniczym
rozruchowym (zaciski oznaczone R1 – R2) i jest załączone tylko w chwili rozruchu.

W obwód uzwojenia rozruchowego (pomocniczego) włącza się szeregowo impedancje

dodatkową – kondensator.

Po dokonaniu rozruchu uzwojenie rozruchowe, przystosowane do pracy krótkotrwałej,

zostaje samoczynnie odłączone przez:

−

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

−

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

w jednym z uzwojeń.

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

generują zakłóceń radioelektrycznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabliczki znamionowe

Maszyn elektrycznych równieŜ silniki wyposaŜone są w tabliczki znamionowe trwale

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

4.6.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie jest podstawowe zadanie silnika elektrycznego?
2.  Jakie elementy wyróŜniamy w budowie silnika prądu stałego?
3.  Jakie są zadania stojana, wirnika i komutatora?
4.  Jak zbudowany jest silnik indukcyjny?
5.  Jak znasz typy silników indukcyjnych?
6.  Jakie są róŜnice w budowie silnika klatkowego i pierścieniowego?
7.  W jaki sposób uruchamiane są silniki klatkowe?
8.  Gdzie mają zastosowanie silniki indukcyjne jednofazowe?

9. Jakie informacje zawiera tabliczka znamionowa?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

RozróŜnij elementy budowy silnika i scharakteryzuj ich zadania, na podstawie

otrzymanego modelu. Określ typ silnika, jaki przedstawia model.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

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

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

model silnika elektrycznego,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Określ na podstawie tabliczki znamionowej typ i parametry silnika. Jakie moŜe być jego

zastosowanie?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  dokonać oględzin silnika,
2)  zapoznać się z tabliczką znamionową,
3)  określić typ i parametry silnika,
4)  określić jego moŜliwe zastosowanie,
5)  zaprezentować wyniki swojej pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

silnik elektryczny,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować róŜnice w budowie i działaniu silnika prądu stałego

i silnika indukcyjnego?

2) rozróŜnić elementy budowy silników elektrycznych róŜnych typów?

3) wskazać róŜnice w budowie i działaniu silnika klatkowego oraz

pierścieniowego?

4) opisać zasadę działania silnika indukcyjnego?

5) określić na podstawie tabliczki znamionowej typ i parametry danego

silnika?

6) scharakteryzować zastosowania róŜnych typów silników?

7) określić sposób sterowania silnika klatkowego?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7. Instalacje elektryczne

4.6.1. Materiał nauczania

Instalacja elektryczna to zespół urządzeń słuŜących do doprowadzenia energii

elektrycznej o określonych parametrach do miejsc jej wykorzystania.

Instalacje elektryczne dzielimy na instalacje przemysłowe i mieszkaniowe, do których

naleŜą równieŜ instalacje w biurach, budynkach uŜyteczności publicznej, itp.

Ze względu na charakter odbiorników instalacje moŜemy podzielić na: oświetleniowe

i siłowe – zasilające trójfazowe grzejniki i silnik.

Ze względu na czas uŜytkowania instalacje moŜemy podzielić na: stałe oraz prowizoryczne

– o uproszczonych rozwiązaniach (dopuszczonych przez przepisy), montowane doraźnie.

Podstawowymi elementami składowymi instalacji są: przewody, osprzęt instalacyjny,

rozdzielnice, urządzenia automatyki.

W instalacjach, zwłaszcza mieszkaniowych stosuje się ponadto elementy spełniające

określone zadania:

−

przyłącze, czyli linię elektroenergetyczną łączącą złącze z siecią energetyki zawodowej,

−

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

−

wewnętrzną linię zasilającą (wlz), czyli linię elektroenergetyczną o stałym przekroju
łączącą złącze z tablicami rozdzielczymi,

−

instalację odbiorczą – doprowadzającą energię do poszczególnych odbiorników; znajduje
się ona za licznikiem rozliczeniowym.
Układ instalacji elektrycznej zaleŜy od: przeznaczenia, potrzeb i nałoŜonych wymagań,

natomiast charakteryzuje się:

−

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

−

sposobem uziemienia,

−

sposobem ochrony przeciw poraŜeniowej.

Układy sieciowe

Rys. 18. Układy sieciowe: a) TN-C, b) TN-S, c) TN-C-S, d) TT, e) IT [7, s. 65]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ZaleŜnie od sposobu uziemienia instalacje elektryczne dzieli się na róŜnego rodzaju

układy sieciowe oznaczane w znormalizowany sposób.

Pierwsza litera oznaczenia układu określa związek między siecią a ziemią:

−

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

−

I – wszystkie części, które mogą znaleźć się pod napięciem są odizolowane od ziemi,
albo jeden punkt jest połączony z ziemią przez impedancję lub bezpiecznik iskiernikowy.
Druga litera określa związek między dostępnymi częściami przewodzącymi a ziemią:

−

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

−

T – metaliczne połączenie z ziemią (uziemienie) podlegających ochronie dostępnych
części przewodzących, niezaleŜnie od uziemienia punktu neutralnego.
Kolejne litery określają związek między przewodem neutralnym N, a przewodem

ochronnym PE:

−

C – wspólny przewód neutralno-ochronny PEN,

−

S – osobne przewody: neutralny N oraz ochronny PE,

−

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

Osprzęt instalacyjny

Osprzęt instalacyjny to urządzenia stanowiące wyposaŜenie instalacji. W jego skład

wchodzą:

−

gniazda czyli łączniki wtykowe,

−

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

−

bezpieczniki, zabezpieczające instalacje przed przeciąŜeniami,

−

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

−

oprawy oświetleniowe,

−

rury instalacyjne słuŜące do prowadzenia przewodów,

−

elementy konstrukcyjne instalacji prefabrykowanych.

Przemysłowe instalacje elektryczne

Instalacje przemysłowe powinny cechować się: moŜliwością zasilania duŜej liczby

róŜnorodnych odbiorników, przenoszenia duŜych mocy, przejrzystością i estetyką układu,
a takŜe maksymalnym stopniem prefabrykacji umoŜliwiającym prostą rozbudowę
i modernizację.

Tego typu instalacje elektryczne prowadzi się najczęściej w rurach stalowych lub z PCW.

W zakładach przemysłowych stosuje się równieŜ instalacje z elementów prefabrykowanych,
które moŜemy podzielić na:

−

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

−

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

−

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

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

−

instalacje kablowe na drabinkach – ich konstrukcja wykorzystuje prefabrykowane
drabinki podobne do korytek instalacyjnych.

Zabezpieczenia odbiorników i urządzeń elektrycznych

W celu zabezpieczenia urządzeń i odbiorników stosuje się szereg środków ochrony

przeciwporaŜeniowej.

Uziemienie zwane inaczej uziomem to przewód łączący określonego punktu urządzenie

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

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

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

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

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

Zerowanie stosowane w instalacjach elektrycznych, polega na podłączeniu przewodem

ochronno-neutralnym PEN obudów i części przewodzących w układzie TN-C. W przypadku
uszkodzenia izolacji moŜliwe jest samoczynne odłączenie zasilania, poprzez szybkie
zadziałanie zabezpieczenia elektrycznego.

Zerowanie moŜe być stosowane w instalacjach elektrycznych o napięciu do 500 V,

w układzie sieciowym TN, gdzie punkt neutralny zasilającego transformatora jest
bezpośrednio uziemiony, natomiast chronione części przewodzące odbiorników są połączone
z punktem neutralnym za pomocą:

−

przewodu ochronnego PE w układzie sieciowym TN-S,

−

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

−

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

elektroenergetycznej, mogący słuŜyć do przesyłania energii elektrycznej.

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

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

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

ochronnego PE.

Pomiary sprawdzające w instalacjach elektrycznych

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

przewodów oraz rezystancji uziemień ochronnych.

Pomiar rezystancji izolacji przewodów wykonuje się induktorowym miernikiem izolacji

typu IMI (induktorem), czyli megaomomierzem. W obwodach trójfazowych wykonuje się
trzy pomiary kaŜdej fazy względem ziemi (L1-N, L2-N, L3-N) oraz trzy pomiary faz między
sobą (L1-L2, L2-L3, L1-L3). Dla obwodu jednofazowego wykonuje się jeden pomiar fazy
względem ziemi. W czasie pomiarów naleŜy:

−

wyłączyć zasilanie i odłączyć od sieci odbiorniki,

−

wykręcić Ŝarówki w obwodach oświetleniowych,

−

zamknąć łączniki instalacyjne,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

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

Rys. 19. Pomiar rezystancji izolacji: 1 – wyłącznik zasilający, 2 – induktor, 3 – bezpiecznik, 4 – wyłącznik

urządzenia odbiorczego, 5 – Ŝarówka, łącznik instalacyjny [7, s. 94]

Rezystancja izolacji powinna wynosić 1000

Ω

na 1 V napięcia znamionowego sieci.

W instalacjach wykonanych w rurach instalacyjnych i z elementów prefabrykowanych 800

Ω

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

Ω

na kaŜdy 1 V napięcia znamionowego przy napięciu

międzyprzewodowym nie przekracza 250–1000 V.

Pomiar rezystancji uziemień ochronnych i pomocniczego przedstawia poniŜszy schemat.

Rys. 20. Pomiar rezystancji uziemienia: a) uproszczony schemat pomiarowy, b) sposób przyłączenia.

E – induktor, G – galwanometr, Z – przełącznik zakresów, R – rezystor nastawny, Tr – transformator
izolujący od prądów błądzących, P – prostownik wibracyjny, S1, S2 – sondy pomiarowe [7, s. 194]

4.7.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Co to jest instalacja elektryczna?
2.  Jak klasyfikujemy instalacje ze względu na charakter odbiorników?
3.  Jakie elementy i urządzenia wchodzą w skład instalacji elektrycznej?
4.  Czym róŜnią się układy instalacji?
5.  Jakie elementy wchodzą w skład osprzętu instalacyjnego?
6.  Jakie rodzaje instalacji elektrycznych stosuje się w przemyśle?
7.  Jakie wymagania stawiane są instalacjom przemysłowym?
8.  Do czego słuŜy przewód ochronno-neutralny?
9.  Jakie pomiary wykonuje się w celu sprawdzenia stanu instalacji elektrycznej?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7.3.

Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

RozróŜnij elementy osprzętu instalacyjnego i określ ich przeznaczenie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  dokonać oględzin otrzymanych elementów osprzętu instalacyjnego,
2)  rozróŜnić poszczególne elementy,
3)  określić ich przeznaczenie,
4)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

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

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Rozpoznaj usterkę instalacji oświetleniowej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  dokonać oględzin makiety instalacji oświetleniowej,
2)  rozróŜnić elementy osprzętu instalacyjnego zastosowane na makiecie,
3)  przeanalizować działanie instalacji,
4)  określić czynności jakie naleŜy wykonać w celu zdiagnozowania uszkodzenia instalacji,
5)  zgromadzić potrzebne przyrządy i narzędzia,
6)  wykonać niezbędne pomiary,
7)  określić rodzaj usterki i typ uszkodzonych elementów osprzętu instalacyjnego,
8)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

makieta instalacji oświetleniowej,

–

miernik uniwersalny,

–

komplet wkrętaków,

–

komplet szczypców,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić elementy instalacji elektrycznej?

2) określić typ instalacji na podstawie rodzaju przyłączonych odbiorników?

3) rozróŜnić elementy osprzętu instalacyjnego?

4) określić na podstawie oznaczenia układu sieciowego zastosowany sposób

uziemienia?

5) rozróŜnić typ przemysłowej instalacje elektryczne?

6) scharakteryzować podstawowe zabezpieczenia odbiorników i urządzeń

elektrycznych?

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

8) wykonać pomiar rezystancji izolacji?

9) wykonać pomiar rezystancji uziemienia?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8. Urządzenia grzewcze. Technika oświetleniowa

4.8.1. Materiał nauczania

Elektryczne urządzenia grzewcze

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

rezystancyjne,

czyli

oporowe,

elektrodowe,

łukowe,

indukcyjne,

pojemnościowe

i promiennikowe.

Piece rezystancyjne

Piece rezystancyjne wykorzystują ciepło powstające podczas przepływu prądu przez

elementy  grzejne  wykonane  z  materiałów  oporowych  stałych,  najczęściej  z  metali  lub
specjalnych  stopów  metali  o  duŜej  rezystywności  i  duŜej  trwałości.  Elementy  grzejne
są  zasilane  najczęściej  z  sieci  energetycznej  za  pośrednictwem  sterowników  tyrystorowych.
Piece oporowe zasilane są z układów jednofazowych i trójfazowych.

Ze względu na sposób nagrzewania piece rezystancyjne dzielimy na: pośrednie

i bezpośrednie, gdzie nagrzewania odbywa się po części rezystancyjnie i łukowo. Najczęściej
stosowane  są  piece  pośrednie,  które  mają  zamontowane  wewnątrz  elementy  grzejne.
Dzielimy  je  na:  nieprzelotowe,  (mają  jeden  otwór  wsadowy,  zatem  ponowne  załadowanie
moŜe  się  odbyć  po  zakończeniu  całego  procesu  nagrzewania)  oraz  przelotowe  (z  dwoma
otworami  wejściowym  i  wylotowym,  dzięki  czemu  proces  nagrzewania  moŜe  odbywać  się
w sposób ciągły).

Rys. 21. Piece rezystancyjne o nagrzewaniu: a) pośrednim, b) bezpośrednim; 1 – element grzejny, 2 – izolująca

obudowa pieca, 3 – wsad, 4 – końcówka elementu grzejnego, 5 – uchwyt, 6 – wsad pełniący funkcje
elementu grzejnego [7, s. 146]

Piece elektrodowe posiadają elektrody zanurzone w roztopionych mieszaninach soli.

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

Piece łukowe wykorzystują zjawisko łuku elektrycznego powstającego przy przerywaniu

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

Piece pojemnościowe działają na zasadzie wytwarzania ciepła wewnątrz dielektryka pod

wpływem szybkozmiennego pola elektrycznego wielkiej częstotliwości.
Nagrzewanie pojemnościowe stosuje się do: sterylizacji Ŝywności i środków opatrunkowych,
w lecznictwie, suszenie zboŜa, gotowania i pieczenia Ŝywności, zgrzewanie folii
plastikowych, obróbki gumy, a takŜe klejenie i suszenie drewna.

Piece indukcyjne wykorzystują zjawisko powstawania prądów wirowych pod wpływem

zmiennego pola magnetycznego. W piecu wielkiej częstotliwości znajduje się cewka
indukcyjna zwana induktorem lub wzbudnikiem, w niej umieszcza się nagrzewany przedmiot.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

W nagrzewaniu indukcyjnym ciepło jest wytworzone wewnątrz nagrzewanego przedmiotu,

głównie w jego części znajdującej się w zasięgu wytworzonego pola magnetycznego.

Pieców indukcyjnych zasilanych prądem częstotliwości 25–60 Hz uŜywa się

do topienia metali w hutach i odlewniach. Do obróbki cieplnej duŜych elementów stosuje się
częstotliwość 300 Hz –3 kHz, natomiast prądy o większej częstotliwości są uŜywane do
lutowania małych elementów, np. do lutowania puszek.

Mikrofalowe urządzenia grzejne

Urządzenia mikrofalowe wykorzystują nagrzewanie elektryczne oparte na przemianie we

wsadzie  energii  elektrycznej  w  ciepło  za  pośrednictwem  pola  elektromagnetycznego.  Zakres
częstotliwości  mikrofalowych  obejmuje  przedział  od  300  MHz  do  300  GHz.  Technika
mikrofalowa  znalazła  zastosowanie  w  przemyśle  do  nagrzewania  materiałów  o  małej
przewodności  cieplnej,  np.:  wulkanizacja  profili  gumowych,  pasteryzacja  środków
spoŜywczych,  kruszenie  skał.  Natomiast  kuchnie  mikrofalowe  słuŜą  do  podgrzewania
produktów spoŜywczych.

Typowe grzejne urządzenie mikrofalowe składa się ze źródła energii wielkiej

częstotliwości, czyli magnetronu, falowodu doprowadzającego mikrofale oraz rezonatora
wnękowego, w którym umieszcza się wsad (moŜe on być równieŜ umieszczony w falowodzie
lub jego pobliŜu).

Plazmotrony, czyli palniki plazmowe znalazły zastosowanie w otrzymywaniu i topieniu

metali o bardzo wysokiej temperaturze topnienia i wymagających bardzo duŜej czystości
procesu nagrzewania (pozwalają osiągnąć temperaturę powyŜej 50000

C). Palniki takie

wytwarzają plazmę, czyli stan gazu, w którym przynajmniej 0,1% cząsteczek uległo jonizacji.

Promienniki wytwarzają promieniowanie temperaturowe, którego energię pochłania

nagrzewane ciało. Promienniki dzielimy na:

−

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

−

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

Technika oświetleniowa

wiatło jest promieniowaniem elektromagnetycznym, rozchodzącym się ze źródła falami

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

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

względu na sposób wytwarzania światła na:

−

arowe (Ŝarówki),

−

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

−

arowo-wyładowcze (lampy rtęciowo-Ŝarowe).

śarówki

wiatło w Ŝarówce emituje Ŝarnik, rozgrzany do wysokiej temperatury przepływającym

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 22. Budowa Ŝarówki 1 – trzonek, 2 – podpórki, 3 – Ŝarnik, 4 – podpórki, 5 – perełka, 6 – doprowadzenie

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

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

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

−

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

−

samochodowe: 6 V; 12 V; 24 V,

−

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

−

samolotowe: 28 V,

−

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

arówki halogenowe mają konstrukcję podobną do tradycyjnej Ŝarówki, lecz stosuje się

w nich halogenki, czyli jod, chrom, brom i fluor, powodujące samoregenerację zuŜywającego
się Ŝarnika. Małe wymiary Ŝarówek halogenowych zapewniają utrzymanie w bańce Ŝarówki
bardzo wysokiej temperatury, rzędu 250

C, co jest warunkiem procesu samoregeneracji.

Obecnie powszechnie stosuje się Ŝarówki halogenowe w pomieszczeniach: mieszkalnych,
biurowych, sportowych, uŜyteczności publicznej oraz przemysłowych.

Świetlówki, czyli lampy fluoroscencyjne

wietlówka składa się ze szklanej, prostej lub zagiętej rury zakończonej jednakowymi

trzonkami,  wewnątrz  powleczonej  luminoforem,  którego  barwa  decyduje  o  kolorze
emitowanego  przez  świetlówkę  światła,  rura  wypełniona  jest  argonem  z  kropelkami  rtęci.
Po  obu  końcach  szklanej  rury  wbudowane  są  elektrody  wykonane  z  wolframowej  skrętki
powleczonej substancją emitująca elektrony.

W celu zapłonu świetlówki stosuje się: statecznik i zapłonnik.
Statecznik, czyli dławik słuŜy do wytworzenia fali przepięciowej w czasie zapłonu oraz

ograniczenia prądu wyładowania w świetlówce podczas jej świecenia. Natomiast zapłonnik
słuŜy do zaświecenia rury o podgrzanej w czasie zapłonu katodzie.

Obecnie produkuje się świetlówki kompaktowe, które mają nowoczesną konstrukcję

z wbudowanym zapłonnikiem, a czasem teŜ statecznikiem.

wietlówki charakteryzują się: duŜą skutecznością świetlną i trwałością, pięciokrotnie

mniejszym zuŜyciem energii od Ŝarówek, a takŜe małą jaskrawością wytworzonego światła.

Rys. 23. Budowa świetlówki: 1 – rura szklana, 2 – trzonek, 3 – styk, 4 – elektroda, 5 – luminofor [7, s. 125]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Lampy rtęciowe

Rys. 24. Budowa i schemat podłączenia lampy rtęciowej: 1 – bańka zewnętrzna, 2 – elektrody główne,

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

Lampy wyładowcze o wyładowaniu łukowym to lampy rtęciowe. Podstawowy

elementem  ich  budowy  jest  bańka  wypełniona  azotem,  wykonana  matowego  lub
przezroczystego  szkła.  Umieszczony  w  niej  jarznik  wykonany  jest  ze  szkła  kwarcowego
w formie  rurki  z  wtopionymi  na  końcach  elektrodami  wolframowymi.  Jarznik  wypełniony
jest  argonem  i  kropelkami  rtęci.  Do  zaświecenia  lampy  słuŜy  elektroda  zapłonowa
(pomocnicza),  umieszczona  w  pobliŜu  jednej  z  elektrod  głównych,  połączona  z  drugą
elektrodą  główną  poprzez  rezystor.  Wyładowanie  łukowe  następuje  po  włączeniu  lampy  do
sieci,  gdy  między  elektrodą  pomocniczą,  a  sąsiednią  elektroda  główną  wytwarza  się  pole
elektryczne  oddziaływujące  na  argon.  Zjawisko  to  podnosi  temperaturę  wewnątrz  jarznika
i powoduje parowanie rtęci, które prowadzi do wyładowania pomiędzy elektrodami głównymi
(natomiast  wyładowanie  zapłonowe  gaśnie).  W  lampach  rtęciowych  podobnie  jak
w świetlówkach  podczas  świecenia  istnieje  konieczność  ograniczenia  prądu  wyładowania,
dlatego przy ich podłączeniu do sieci stosuje się statecznik.

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

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

Lampy rtęciowo-Ŝarowe mają podobną konstrukcję do lamp rtęciowych, nie wymagają

jednak zastosowania statecznika, poniewaŜ jego funkcję spełnia rezystor wykonany ze skrętki
wolframowej, umieszczony w bańce zewnętrznej i połączony z jedną z elektrod głównych.

Ten typ lamp wytwarza przyjemne dla oka ludzkiego światło, ale ich wadą jest

skuteczność świetlna dwukrotnie mniejsza niŜ lamp rtęciowych.

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

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

WysokopręŜne lampy sodowe działają na podobnej zasadzie do rtęciówek. Zasadniczą

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

Oprawy oświetleniowe

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

umocowania źródła światła, przyłączenia go do instalacji elektrycznej, odpowiedniego
skierowania strumienia światła, ochrony oczu przed olśnieniem, ochrony źródła światła przed
szkodliwymi czynnikami zewnętrznymi, uzyskania efektu dekoracyjnego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Oprawy oświetleniowe moŜna podzielić ze względu na zastosowanie na: przemysłowe,
zewnętrzne, do pomieszczeń uŜyteczności publicznej, projektory oświetleniowe i oprawy
specjalne, natomiast ze względu na sposób mocowania na: stałe, przenośne i nastawne.

Ze względu na rozsyłanie strumienia świetlnego oprawy dzielimy na pięć klas.
Oprawy I klasy kierują cały strumień w dół i są stosowane do oświetlenia miejscowego

w  duŜych  halach.  Oprawy  klasy  II  i  III  stosowane  są  w  pomieszczeniach  niŜszych  o  średnio
jasnych  sufitach  i  ścianach  np.  sklepach,  biurach.  W  pomieszczeniach  niskich  o  jasnych
sufitach  i  ścianach  i  ścianach  np.  mieszkaniach  i  hotelach  stosuje  się  oprawy  klasy  IV  i  V
dające światło w przewaŜającej części odbite od sufitu.

Oprawy oświetleniowe do wnętrz publicznych prócz funkcji oświetleniowych spełniają

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

Oprawy oświetleniowe zewnętrzne dla oświetlenia Ŝarowego są wykonane ze stopu

aluminium formowanego podciśnieniem i posiadają ochronną siatkę z ocynkowanego drutu.

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

i przeciwwybuchowe. Oprawy zwykłe to stosowane do:

−

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

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

−

wietlówek – w pomieszczeniach przemysłowych o średniej wilgotności i zapyleniu,

−

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

−

zamkniętych – kroploodporne,

−

o zwiększonej wilgotności – bryzgoodporne,

−

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

−

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

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

4.8.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie znasz elektryczne urządzenia grzejne?
2.  Na jakiej zasadzie działają piece rezystancyjne, a na jakiej piece indukcyjne?
3.  W jaki sposób działają piece indukcyjne?
4.  Jaka jest zasada działania Ŝarówki?
5.  W jakim celu stosuje się w Ŝarówkach halogenki?
6.  Czym charakteryzują się świetlówki?
7.  Jak działają lampy rtęciowe, a jak sodowe?
8.  Jak dzielimy oprawy oświetleniowe ze względu na rozsyłanie strumienia świetlnego?
9.  Jakie znasz typy przemysłowych opraw oświetleniowych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ typ otrzymanych źródeł światła. Scharakteryzuj ich zastosowanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  dokonać oględzin otrzymanych źródeł światła,
2)  określić ich typ,
3)  określić ich zastosowanie,
4)  zaprezentować wyniki pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

arówka, świetlówka, lampa sodowa,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.8.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować zasadę działania powszechnie stosowanych źródeł

wiatła?

2) określić zastosowanie typowych źródeł oświetlenia?

3) dobrać rodzaj źródeł światła do określonego przeznaczenia?

4) scharakteryzować oprawy oświetleniowych róŜnych klas?

5) sklasyfikować przemysłowe oprawy oświetleniowe?

6) dobrać oprawę oświetleniową do określonego przeznaczenia?

7) scharakteryzować zasadę działania róŜnego rodzaju elektrycznych

urządzeń grzejnych?

8) określić zastosowanie danego typu urządzenia grzejnego?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Podstawy elektroniki

4.9.1. Materiał nauczania

Nowoczesne maszyny i urządzenia stosowane we wszystkich gałęziach przemysłu,

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

Diody półprzewodnikowe

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

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

Dioda prostownicza

Rys. 25. Symbol diody prostowniczej: a) polaryzacja diody prostowniczej, b) w kierunku przewodzenia,

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

W układach elektronicznych dioda prostownicza wykorzystywana jest przede wszystkim

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

Diody prostownicze stosuje się najczęściej w układach prostowniczych urządzeń

zasilających.

Dioda stabilizacyjna (dioda Zenera)

Wykorzystuje się jej właściwości przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Przy

polaryzacji w kierunku przewodzenia, dioda Zenera działa jak dioda prostownicza. Natomiast
przy  polaryzacji  w  kierunku  zaporowym,  póki  przyłoŜone  napięcie  nie  osiągnie  wartości
zwanej  napięciem  Zenera,  przez  diodę  stabilizacyjną  płynie  bardzo  mały  prąd  w  kierunku
zaporowym  (od  katody  do  anody).  Jeśli  spadek  napięcia  w  kierunku  zaporowym  osiągnie
wspomnianą  wartość  napięcia  Zenera  następuje  zjawisko  przebicia  Zenera  lub  lawinowe,
polegające  na  szybkim  wzroście  wartości  prądu  przy  prawie  niezmienionej  wartości  spadku

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

napięcia. Diody stabilizacyjne stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach
amplitudy, w układach źródeł napięć odniesienia, itp.

Rys. 26. Symbol diody: a) stabilizacyjna, b) LED [3, s. 59, 450]

Dioda LED

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

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

Diody LED wykorzystuje się zasadniczo jako samodzielne elementy sygnalizujące,

buduje się z nich równieŜ wyświetlacze.

Tranzystory

Obecnie produkowanych jest wiele typów tranzystorów przeznaczonych do róŜnych

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

Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny przeznaczony jest do pracy jako wzmacniacz sterowany prądowo.

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

Rys. 27. Symbol tranzystora: a) PNP, b) NPN [3, s. 62]

Struktura półprzewodnikowa tranzystora umieszczona jest w hermetycznie zamkniętej

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

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

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

Tranzystor bipolarny moŜe równieŜ pracować w stanie nieprzewodzenia zwanego teŜ

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

Stan nasycenia tranzystora bipolarnego charakteryzuje się przepływem duŜego prądu

kolektora, przy minimalnym napięciu pomiędzy kolektorem a emiterem.

Tranzystor unipolarny (polowy)

Rys. 28. Symbol graficzny tranzystora unipolarnego JFET: a) z kanałem typu N, b) z kanałem typu P [3, s. 82]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

Tyrystor

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

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

Rys. 29. Symbole: a) tyrystora, b) diaka c) triaka [3, s. 79]

Triak

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

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

Diak

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

bez wyprowadzonej bramki. Diaki stosowane są do sterowania triakami.

Elementy optoelektroniczne

Działanie elementów optoelektronicznych związane jest ze światłem. Do tej grupy naleŜą

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

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

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

Rys. 30. Symbole elementów optoelektronicznych: a) fotorezystor [12], b) fotodioda [3, s. 450],

c) fototranzystor [13]

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

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

Fototranzystor jest tranzystorem, którego działanie spowodowane jest oświetleniem

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

Transoptor składa się z nadajnika światła, np. diody LED i detektora światła,

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

Rys. 31. Układy transoptora [3, s. 456]

Podstawowe układy elektroniczne

Prostownik przetwarza napięcie zmienne w napięcie jednokierunkowe tętniące. Do jego

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

Prostownik w układzie mostka Graetza

Najpopularniejszym prostownikiem produkowanym w postaci układu scalonego

prostownik dwupołówkowy w układzie mostka Graetza.

Rys. 32. Prostownik dwupołówkowy w układzie mostka Graetza a) schemat, b) wykresy czasowe napięcia

wjściowego U

oraz prądu wyjściowego U

[3, s. 105]

W czasie dodatniej połówki napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne

transformatora, przez diodę D

, obciąŜenie R

i diodę D

, natomiast przy ujemnej połówce

napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne transformatora, przez diodę D

obciąŜenie R

i diodę D

. W obu przypadkach prąd przez obciąŜenie płynie w tym samym

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

Stabilizatory napięcia stosuje się w celu uzyskania stałej wartości napięcia elektrycznego.

Zasadniczym elementem stabilizatora jest dioda Zenera.

Rys. 33. Układ stabilizatora parametrycznego [3, s.296]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zasilacz

Rys. 34. Schemat blokowy zasilacza [12]

Zadaniem zasilacza jest dostarczenie napięcia stałego, które jest wytwarzane przez

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

Wzmacniacze

Rys. 35. Schemat blokowy wzmacniacza [3, s. 144]

Zadaniem wzmacniacza jest wzmocnienie sygnału przy zachowaniu jego nie

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

NajwaŜniejszym parametrem wzmacniacza jest współczynnik wzmocnienia (zwany

w skrócie wzmocnieniem), będący stosunkiem amplitudy sygnału na wyjściu wzmacniacza
do amplitudy sygnału na jego wejściu.

Ze względu na przeznaczenie rozróŜniamy wzmacniacze napięciowe, prądowe i mocy.
Wzmacniacze budowane są najczęściej jako układy kaskadowe, czyli połączenie szeregu

stopni wzmacniających (wyjście danego stopnia, czyli pojedynczego wzmacniacza połączone
jest z wejściem stopnia następnego).

Rys. 36. Schemat blokowy wzmacniacza trzystopniowego [3, s. 148]

Obecnie powszechnie stosuje się wzmacniacze w postaci układów scalonych.
Wzmacniacz

operacyjny

najbardziej

rozpowszechniony

analogowy

układ

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

Wzmacniacz operacyjny posiada jedno wyjście i dwa wejścia: odwracające (oznaczone

„–”)  i  nieodwracające  (oznaczone  „+”).  Wzmacniana  jest  róŜnica  sygnałów  z  tych  wejść,
a wartość tego wzmocnienia jest bardzo duŜa.
Wzmacniacz  operacyjny  słuŜy  do  budowy  wielu  układów  wzmacniających,  generatorów
i innych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 37. Symbol wzmacniacza operacyjnego [3, s.197]

Generator to układ wytwarzający przebiegi elektryczne o określonym kształcie

np.  sinusoidalnym  (generatory  przebiegów  sinusoidalnych),  prostokątnym  czy  trójkątnym
(generatory  przebiegów  niesinusoidalnych).  Generator  przetwarza  energię  elektryczną
pozyskiwaną  ze  źródła  napięcia  zasilania,  zamieniając  ją  (z  pewnymi  stratami)  w  energię
generowanego napięcia zmiennego.

4.9.2 Spytania sprawdzające

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

1.  Do czego słuŜy dioda prostownicza?
2.  Czym charakteryzuje się działanie diody Zenera?
3.  Jaka jest róŜnica w działaniu tyrystora i triaka?
4.  Jakie znasz typy tranzystorów?
5.  Jakie wyprowadzenia posiada tranzystor bipolarny, a jakie uniolarny?
6.  Jaka jest wspólna cecha elementów optoelektronicznych?
7.  W jakim celu stosuje się transoptory?
8.  Do czego słuŜy prostownik?
9.  Jakie jest zadanie stabilizatora?
10.  Jaki jest podstawowy parametr wzmacniacza?
11.  Jaki  scalony  układ  elektroniczny  jest  podstawą  budowy  generatorów  i  róŜnych  typów

wzmacniaczy?

4.9.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Rozpoznaj typ otrzymanych elementów elektronicznych. Określ na podstawie katalogu

elementów i układów elektronicznych, ich wyprowadzenia i zastosowanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  dokonać oględzin otrzymanych elementów elektronicznych,
2)  rozpoznać ich typ,
3)  wybrać odpowiedni katalog elementów i układów elektronicznych,
4)  wyszukać w katalogu odpowiednie karty rozpoznanych elementów,
5)  określić wyprowadzenia elementów,
6)  określić zastosowanie rozpoznanych elementów,
7)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

tyrystor, triak, tranzystor bipolarny i unipolarny,

–

katalogi elementów i układów elektronicznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Wyszukaj na otrzymanym schemacie elektrycznym symbole: diody prostowniczej,

stabilizacyjnej oraz tranzystora bipolarnego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować treść zadania,
2)  zapoznać się z otrzymanym schematem elektrycznym,
3)  odszukać  na  schemacie  symbole:  diody  prostowniczej,  stabilizacyjnej  oraz  tranzystora

bipolarnego,

4) zaprezentować wyniki.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

schemat układu elektronicznego,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.9.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wyjaśnić zasadę działania podstawowych elementów elektronicznych?

2) rozróŜnić na schemacie układu elektronicznego, symbole graficzne

podstawowych elementów elektronicznych?

3) określić zastosowanie podstawowych elementów elektronicznych?

4) określić na podstawie katalogu elementów i układów elektronicznych,

wyprowadzenia podstawowych elementów elektronicznych?

5) scharakteryzować elementy optoelektroniczne?

6) wyjaśnić zasadę działania prostownika?

7) scharakteryzować budowę zasilacza?

8) określić zasadę działania poszczególnych bloków zasilacza?

9) scharakteryzować funkcję wzmacniacza w urządzeniu elektronicznym?

10) wyjaśnić zasadę działania wzmacniacza operacyjnego?

11) scharakteryzować zadania generatora w urządzeniu elektronicznym?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.10. Elementy i układy automatyki

4.10.1. Materiał nauczania

Automatyka zajmuje się zagadnieniami sterowania automatycznego. Obecnie

powszechnie stosowane jest sterowanie automatyczne, gdzie czynności sterownicze wykonuje
za człowieka specjalne urządzenie sterujące. Człowiek formułuje i wprowadza do urządzenia
sterującego zadania do wykonania oraz kontroluje i ewentualnie wprowadza korektę nastaw
w urządzeniu sterującym.

Układy automatycznego sterowania

Sterowaniem nazywamy proces celowego oddziaływania sygnałów sterujących na

przyrządy, urządzenia technologiczne lub maszyny robocze. Sterowanie odbywa się
w układzie otwartym. Sygnały sterujące działają na obiekt bez bieŜących pomiarów i korekcji
procesu.

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

pneumatyczne, hydrauliczne.

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

sterowania to część układu, na którą oddziałują sygnały sterownicze.

Rys. 38. Schemat blokowy układu sterowania

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

obiekt sterowania. Urządzenie sterujące składa się z:
–

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

–

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

–

urządzenia wyjścia, są to człony wykonawcze oddziałujące bezpośrednio na obiekt
sterowania, np.: przekaźniki, styczniki, tyrystory, zawory hydrauliczne i pneumatyczne.
W układach sterowania elektrycznego stosuje się często styczniki i przekaźniki. Styczniki

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

Przekaźnik w układzie elektronicznym pełni rolę zdalnie uruchamianego łącznika.

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

Urządzenie sterujące wytwarza sygnały sterujące. Sygnałem wejściowym urządzenia

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

W otwartym układzie sterowania urządzenie sterujące nie otrzymuje zwrotnej informacji

o aktualnej wartości sygnału sterowanego. W układzie zamkniętym, występuje sprzęŜenie
zwrotne, czyli przekazanie informacji z wyjścia układu na jego wejście, zatem urządzenie

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

sterujące otrzymuje informację o aktualnej wartości sygnału sterowanego, która następnie
wpływa na przebieg sterowania.

Układy sterowania otwartego występują we wszelkich rodzajach automatów

o działaniu cyklicznym np.: automaty handlowe, oświetleniowe, itp.

Układy automatycznej regulacji

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

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

Charakterystyczne dla wszystkich układów regulacji jest tzw. ujemne sprzęŜenie zwrotne,

polegające  na  wprowadzeniu  do  regulatora  sygnału  regulowanego.  Podstawowym  pojęciem
z  zakresu  układów  regulacji  jest  odchyłka  (uchyb)  regulacji,  oznaczająca  róŜnicę  między
poŜądaną  (zadaną)  a  rzeczywistą  aktualną  wartością  sygnału  regulowanego.  Zadaniem
regulatora  jest  takie  oddziaływanie  na  obiekt  regulacji,  aby  odchyłka  regulacji  była  jak
najmniejsza.  Regulator  podzielono  na  układ  porównujący,  który  wytwarza  sygnał  odchyłki
oraz  układ  formujący,  który  przekształca  sygnał  odchyłki  na  sygnał  sterujący.  SprzęŜenie
zwrotne  jest  ujemne,  co  zaznaczono  za  pomocą  znaku  minus  na  wejściu  układu
porównującego.

Rys. 39. Schemat prostego układu regulacji automatycznej [5, s. 16]

Elementy układów regulacji

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

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

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

pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne i elektroniczne.

Ze względu na funkcje, jakie spełniają w układach automatyki elementy i urządzenia

dzielimy na:

−

pomiarowe (czujniki, przetworniki, zespoły pomiarowe),

−

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

−

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

na analogowe i cyfrowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 40. Schemat blokowy układu regulacji [6, s. 12]

W skład układu regulacji wchodzą: urządzenia pomiarowe i wykonawcze oraz regulator.
Urządzenie pomiarowe informuje układ regulacji o aktualnej wartości wielkości

regulowanej Zawiera element pomiarowy mierzący bezpośrednio wielkość regulowaną oraz
przetwornik pomiarowy, który przekształca zmierzoną wielkość na postać, odpowiednią dla
regulatora.

Urządzenie wykonawcze, w odpowiedzi na sygnał wyjściowy z regulatora, zmienia

wartość wielkości nastawiającej, tak aby realizowany był zamierzony przebieg procesu.

Urządzenie wykonawcze składa się z:

−

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

−

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

−

wzmacniacza mocy.
Regulator porównuje wartość zadaną z rzeczywistą regulowaną, następnie wytwarza

sygnał sterujący, który działa na obiekt, tak aby róŜnicę pomiędzy tymi wartościami
sprowadzić do zera, regulatora często posiada zadajnik.

Automatyczne układy sygnalizacji mają za zadanie zwrócenie uwagi operatora procesu

przemysłowego na zaistnienie zdarzenia, które są waŜne dla bezpieczeństwa ludzi, trwałości
instalacji, jakości produkcji itp. Układy sygnalizacji moŜemy podzielić na sygnalizację:

−

kontrolno-wskaźnikową,

−

ostrzegawczą,

−

awaryjną.

Informacja o zaistniałym zdarzeniu powinna niezwłocznie być przekazana do operatora

w postaci sygnału świetlnego lub dźwiękowego albo obu jednocześnie. Dla ułatwienia
odbioru sygnałów świetlnych jest przyjęta następująca zasada: gdy sygnał świetny jest
wyłączony – sytuacja prawidłowa, gdy sygnał świetlny migocze – naleŜy interweniować.

Powszechnie stosowane automatyczne systemy ochrony zewnętrznej – alarmy

elektroniczne. Rolą systemu alarmowego jest przekazanie informacji o zagroŜeniu tam, gdzie
mogą być podjęte działania interwencyjne.
Podstawowe  elementy  systemu  alarmowego  to:  centrala,  szyfrator  i czujki  oraz  urządzenia
alarmowe.  Centrala  pełni  rolę  mózgu  systemu,  szyfrator  umoŜliwia  sterowanie  centralą
alarmową  oraz  jej programowanie  (moŜe  być  on  zintegrowany  z  centralą  stanowiąc  jedno
urządzenie),  a czujki  mają  za zadanie  wykrywać  i przekazywać  do centrali  sygnały

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

o zagroŜeniu. Urządzenia alarmowe sygnalizują zagroŜenie, są to wszelkiego rodzaju syreny
alarmowe, migające lampy itp.

Automatyczne blokady mają na celu uniemoŜliwienie środkami technicznymi uŜycie

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

Zabezpieczenia automatyczne mają za zadanie chronić instalację lub otoczenie przed

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

W celu ochrony przed poraŜeniem prądem elektrycznym stosowane są przekaźniki

przeciwporaŜeniowe róŜnicowoprądowe.

W celu niedopuszczenia do powstania urazów mechanicznych stosuje się układy

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

W celu ograniczenia moŜliwości powstania oparzeń stosuje się układy sygnalizujące

występowanie na powierzchni urządzeń wysokiej temperatury.

Układy ograniczające moŜliwość powstania poŜaru mogą wyłączać urządzenia

elektryczne  pozostawione  bez  dozoru.  Dla  zapewnienia  bezpieczeństwa  przeciwpoŜarowego
stosuje  się  układy  sygnalizujące  występowanie  wysokiej  temperatury  lub  obecność  dymu
w pomieszczeniach. Układy te mogą być sprzęŜone funkcjonalnie z instalacją gaszącą.
Stosuje się równieŜ kłady zabezpieczające przed wypływem z instalacji nie spalonego gazu.

Automatyczne urządzenia zasilające stosuje się w zakładach przemysłowych,

pomieszczeniach  uŜyteczności  publicznej,  itp.  Ich  celem  jest  dostarczenie  energii
w sytuacjach  awarii  sieci  elektroenergetycznych,  wówczas  następuje  ich  automatyczne
załączenie.  Powszechnie  stosowane  są  równieŜ  automatyczne  urządzenia  zasilające
w komputerach tzw. zasilacze UPS.

W górnictwie układy automatycznej regulacji i sterowania są powszechnie stosowane,

np.: w sterowaniu taśmami przenośnikowymi, stacjach napędowych, wyłącznikach
kopalnianych, itp.

4.10.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Czym charakteryzuje się proces sterowania?
7.  Z jakich elementów składa się układ sterowania?
8.  Jaka jest róŜnica między otwartym a zamkniętym układem sterowania?
9.  Jaka jest róŜnica między sterowaniem a regulacją?
10.  Co nazywamy elementami, a co urządzeniami w układach automatyki?
11.  Jak klasyfikujemy elementy i urządzenia automatyki?
12.  Jakie zadanie pełni w układzie regulacji urządzenie pomiarowe?
13.  Jakie zadania pełni w układzie regulacji regulator?
14.  Jakie zadania pełni w układzie regulacji urządzenie wykonawcze?
15.  Jaką funkcję pełnią układy sygnalizacji?
16.  W  jaki  sposób  informacja  o  zaistniałym  zdarzeniu  jest  sygnalizowana  operatorowi

procesu?

17. Jaki jest cel stosowania zabezpieczeń automatycznych?
18. Do czego słuŜą automatyczne urządzenia zasilające?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.10.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Scharakteryzuj proces regulacji zachodzący w nowoczesnym Ŝelazku.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z materiałem nauczania dotyczącym elementów i układów automatyki,
2)  zanalizować schemat blokowy i opis działania Ŝelazka,
3)  określić wielkość regulowaną,
4)  rozróŜnić  urządzenie  pomiarowe,  urządzenie  wykonawcze  i  regulator  na  schemacie

blokowym Ŝelazka,

5) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

schemat blokowy i opis działania Ŝelazka,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj proces sterowania silnikiem elektrycznym za pomocą wyłącznika

kopalnianego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować dokumentację techniczną wyłącznika kopalnianego,
2)  zapoznać się ze schematem połączenia silnika z wyłącznikiem kopalnianym,
3)  zapoznać się z opisem działania układu,
4)  określić elementy układu sterowania,
5)  określić sygnał sterujący i wielkość sterowaną,
6)  zaprezentować wyniki swojej pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna wyłącznika kopalnianego,

–

dokumentacja techniczna silnika indukcyjnego,

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Określ, jakie automatyczne zabezpieczenia zostały zastosowane w zasilaczu ze

stabilizacją napięcia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z instrukcją zasilacza,
2)  określić rodzaje zabezpieczeń,
3)  zaprezentować wyniki swojej pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

regulowany zasilacz laboratoryjny,

−

instrukcja zasilacza, karta katalogowa,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.10.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) narysować schemat blokowy układu sterowania?

2) określić rodzaj sterowania ze względu na rodzaj sygnałów?

3) rozróŜnić podstawowe elementy układu sterowania?

4) wyjaśnić zadania stycznika i przekaźnika w układach sterowania?

5) wyjaśnić proces sterowania silnika elektrycznego wyłącznikiem

kopalnianym?

6) narysować schemat blokowy układu regulacji?

7) podać przykłady zastosowania regulacji automatycznej?

8) rozróŜnić w danym układzie regulacji urządzenia wykonawcze

i pomiarowe oraz regulator?

9) wyjaśnić

przeznaczenie

poszczególnych

członów

układów

automatycznej regulacji?

10) wykazać róŜnice między automatycznym sterowaniem, a automatyczną

regulacją na podstawie schematów blokowych?

11) scharakteryzować działanie automatycznych układów zabezpieczeń

i sygnalizacji?

12) określić zastosowanie układów automatycznego zasilania?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.11. Mikroprocesory i sterowniki mikroprocesorowe

4.11.1. Materiał nauczania

Systemy mikroprocesorowe przetwarzają dostarczone do systemu dane, poddając je

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

Typowy system mikroprocesorowy składa się z następujących części:

−

mikroprocesora, który pełni funkcję jednostki centralnej (CPU, umoŜliwia wykonywanie
operacji przetwarzania danych poprzez realizację programu zapisanego w pamięci
programu,

−

pamięci danych RAM, jest to pamięć nieulotna, przechowująca program w języku
maszynowym,

−

pamięci programu ROM, słuŜącej do przechowywania danych podczas realizacji
programu,

−

układów wejścia/wyjścia czyli interfejsów, umoŜliwiających prawidłową komunikację
między mikroprocesorem a otoczeniem – urządzeniami zewnętrznymi,

−

układów sterujących przepływem informacji między tymi elementami: magistrali danych,
magistrali adresowej i sygnałów sterujących.
Mikroprocesor składa się z układu sterowania oraz jednostki arytmetyczno-logicznej

wraz z rejestrami roboczymi. Układu sterowania pobiera rozkazy z pamięci programu,
dekoduje je oraz wystawia odpowiednie sygnały sterujących w celu wykonania rozkazów.

Jednostka arytmetyczno-logiczna słuŜy do wykonywania operacji arytmetycznych lub

logicznych na liczbach binarnych czasem dziesiętnych.

Pamięć programu najczęściej jest wykonywana jako pamięć typu:

−

ROM – programowana przez producenta,

−

PROM – programowana jednorazowo przez uŜytkownika,

−

EPROM, EEPROM – do wielokrotnego programowania przez uŜytkownika.
Zadaniem układów wejścia/wyjścia (interfejsów) jest zapewnienie odpowiedniej postaci

danej oraz dopasowanie czasowe wymiany danej np. zapamiętanie do czasu, kiedy odbierze
ją urządzenie zewnętrzne. Układy wejścia/ wyjścia są dołączane do jednostki centralnej
za pośrednictwem magistral (podobnie jak pamięć danych).

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

sterujące i statusowe w postaci liczb binarnych.

Magistrala adresowa to zespół linii, którymi procesor adresuje poszczególne komórki

pamięci programu, danych lub rejestry układów wejścia/wyjścia.

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

Sterowniki mikroprocesorowe w zastosowaniach przemysłowych

W układach automatyki przemysłowej mają szerokie zastosowanie systemy

mikroprocesorowe,  które  w  postaci  sterowników  mikroprocesorowych  sterują  pracą
skomplikowanych  maszyny.  Sterownik  mikroprocesorowy  jest  wyspecjalizowanym
komputerem.  Parametry  procesu  przemysłowego  określające  warunki  i  sposób  wykonania
wyrobu, a w efekcie jego jakość i właściwości są wprowadzane do sterownika, które równieŜ
„zbierają”  informacje  z  wszelkiego  rodzaju  czujników  pomiarowych,  aparatury  pomiarowej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na podstawie tych wszystkich informacji sterownik wypracowuje sygnały sterujące dla
maszyn i urządzeń wykonawczych.

Sterownik mikroprocesorowy jest wyspecjalizowanym komputerem przystosowanym

przez producenta w sposób techniczny, a następnie programowy do sterowania procesami
technologicznymi.

Powszechnie w systemach automatyki przemysłowej stosowane są uniwersalne

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

Częstym rozwiązaniem jest połączenie kilu sterowników w sieć, która steruje całą linią

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

Rys. 41. Schemat blokowy sieci sterowników [10, s. 166]

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

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

W poszczególnych obszarach pamięci sterownika przechowywane są: dane wynikające

z procesu technologicznego (parametry ustawione przez uŜytkownika, wyniki pomiarów,
sygnały z czujników) oraz instrukcje programu uŜytkownika.

Moduł sygnałów wejściowych zawiera układy elektroniczne zamieniające sygnały

pochodzące z urządzeń zewnętrznych na sygnały logiczne akceptowane przez sterownik.
Natomiast moduł sygnałów wyjściowych zawiera układy, których zadaniem jest
dostosowanie wartości sygnałów ze sterownika do poziomów wymaganych przez urządzenia,
którymi steruje.

Sterowniki PLC powszechnie stosowane są do sterowania silników elektrycznych,

np.: w wyłącznikach kopalnianych, napędów hydraulicznych i pneumatycznych, a takŜe
w sterowaniu urządzeń transportowych, maszyn i urządzeń do obróbki kamienia, itp.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.11.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie są zadania systemu mikroprocesorowego?
2.  Z jakich elementów składa się system mikroprocesorowy?
3.  Jakie jest zastosowanie sterowników PLC?
4.  Jak  moŜna  podzielić  pamięć  sterownika  PLC  ze  względu  na  rodzaj  przechowywanych

informacji?

5.  Jakie układy elektroniczne stosuje się w module sygnałów wejściowych?
6.  Jakie układy elektryczne i elektroniczne stosuje się w module sygnałów wyjściowych?
7.  Jakie są zasady sterowania procesu produkcyjnego za pomocą sieci sterowników?

4.11.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe:

Zdanie:

prawda

fałsz

Układy wejścia /wyjścia słuŜą do przechowywania danych.

Magistrala sterująca słuŜy do przesyłania kodów rozkazów.

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

Sterownik Slave, jest sterownikiem nadrzędnym w sieci sterowników.

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

System mikroprocesorowy zawiera magistralę: adresową, danych i sterującą.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeczytać określone treści z poradnika dotyczące systemów mikroprocesorowych,
2)  przeanalizować zdania decydując czy jest prawdziwe czy fałszywe,
3)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj zadania sterownika w układzie sterowania bramą garaŜową.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować treść zadania,
2)  zapoznać się z dokumentacją techniczną układu sterowania bramą garaŜową,
3)  określić typ elementów układu i ich role,
4)  określić sposób połączenia elementów
5)  scharakteryzować zadania sterownika,
6)  zaprezentować wyniki pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna sterownika,

−

dokumentacja techniczna układu sterowania bramą garaŜową,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.11.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić elementy składowe systemu mikroprocesorowego?

2) scharakteryzować

funkcje

poszczególnych

elementów

systemu

mikroprocesorowego?

3) scharakteryzować budowę sterownika PLC?

4) określić elementy składowe układu sterowania ze sterownikiem PLC?

5) określić

sposób

połączenia

elementów

systemu

sterowania

ze sterownikiem PLC?

6) narysować schemat blokowy sieci sterowników?

7) podać przykłady zastosowania sterowników w przemyśle?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.  Przeczytaj uwaŜnie instrukcję zanim zaczniesz rozwiązywać zadania.
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.  Test  składa  się  z  20  zadań  dotyczących  obwodów  prądu  stałego.  Zadania  od  nr  1

do nr 15 są z poziomu podstawowego. Zadania od nr 16 do nr 20 są z poziomu
ponadpodstawowego

4. Zadania zawierają cztery odpowiedzi, z których tylko jedna jest poprawna. Wybraną

odpowiedź zakreśl znakiem X

5. Jeśli uznasz, Ŝe pomyliłeś się i wybrałeś nieprawidłową odpowiedź, to otocz ją kółkiem,

a prawidłową odpowiedź zaznacz znakiem X.

6.  Dodatkowe obliczenia wykonaj na drugiej stronie karty odpowiedzi.
7.  Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz mógł sprawdzić poziom swojej wiedzy.
8.  Jeśli  jakieś  zadanie  sprawi  Ci  trudność,  rozwiąŜ  inne  i  ponownie  spróbuj  rozwiązać

trudniejsze.

9. Przed wykonaniem kaŜdego zadania przeczytaj bardzo uwaŜnie polecenie.
10. Odpowiedzi udzielaj tylko na załączonej karcie odpowiedzi.
11. Na rozwiązanie wszystkich zadań masz 30 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Urządzeniem automatyki jest

a)  tranzystor.
b)  rezystor.
c)  zasilacz.
d)  urządzenie pomiarowe.

2. Elementem odbiorczym w obwodzie elektrycznym jest

a)  zasilacz.
b)  potencjometr.
c)  ogniwo chemiczne.
d)  akumulator.

3. Elementem automatyki nie jest

a)  przekaźnik.
b)  silnik.
c)  Ŝarówka.
d)  zawór.

4. Prądu elektrycznego nie przewodzą

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. Przekaźnik w układzie sterowania pełni rolę

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

6. Rysunek przedstawia symbol

a)  tranzystora bipolarnego.
b)  tranzystora unipolarnego.
c)  diody LED.
d)  diody stabilizacyjnej.

7. Do źródeł światła nie naleŜy

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

8. Elementami budowy silnika są

a)  wirnik i stojan.
b)  prostownik i dioda.
c)  regulator i przekaźnik.
d)  kondensatory i cewki.

9. Jednostką mocy prądu stałego jest

a) wolt [V].
b) om [

Ω

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

10. Przewód (N), to przewód

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

11. Rezystory nie są łączone

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

12. Transformator

a)  zamienia napięcie zmienne o jednej wartości na napięcie zmienne o innej wartości.
b)  zamienia napięcie stałe jednej wartości na napięcie stałe o innej wartości.
c)  zamienia prąd stały o jednej wartości na prąd stały o innej wartości.
d)  wzmacnia napięcie stałe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13. Do osprzętu instalacyjnego nie naleŜą

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

14. Nagrzewnictwo oporowe stosuje się w piecach

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

15. Rysunek przedstawia symbol

a) diody LED.

b) generatora.

c) transformatora.

d) wzmacniacza operacyjnego.

16. W obwodzie ze schematu szeregowo połączone są rezystory

a) R

b) R

, R

c) R

, R

d) R

, R

17. Układ do pomiaru metodą techniczną mocy czynnej wydzielonej na rezystorze zasilonym

napięciem przemiennym jednofazowym, musi zawierać
a)  omomierz i watomierz.
b)  woltomierz i watomierz.
c)  omomierz i amperomierz.
d)  woltomierz i amperomierz.

18. Rysunek przedstawia schemat

a)  transformatora.
b)  układu regulacji.
c)  prostownika w układzie mostka Graetza.
d)  układu sterowania.

19. JeŜeli w obwodzie prądu stałego na rezystorze R = 1 k

Ω

, odłoŜył się spadek napięcia

U  =  15  V,  a  prąd  przez  niego  płynący  wynosi  I  =  6  mA,  to  moc  wydzielona  na  tym
rezystorze jest równa:
a)  9 W.
b)  90 mW.
c)  6 mW.
d)  15 mW.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

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

Analizowanie układów elektrycznych i automatyki przemysłowej

Zakreśl poprawną odpowiedź.

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem: