„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Eugeniusz Namysł

Badanie

układów

elektrycznych

i

elektronicznych

731[01].O1.04

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1

Recenzenci:
mgr inż. Krzysztof Idzior
mgr inż. Dariusz Główczak



Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Eugeniusz Namysł



Konsultacja:
mgr inż. Ryszard Dolata











Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 731[01].O1.04
„Badanie układów elektrycznych i elektronicznych”, zawartego w programie nauczania dla
zawodu mechanik automatyki przemysłowej i urządzeń precyzyjnych.

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2

SPIS TREŚCI

1.

Wprowadzenie

4

2.

Wymagania wstępne

6

3.

Cele kształcenia

7

4.

Materiał nauczania

8

4.1. Pole elektryczne

8

4.1.1. Materiał nauczania

8

4.1.2. Pytania sprawdzające

11

4.1.3. Ćwiczenia

11

4.1.4. Sprawdzian postępów

13

4.2. Pole magnetyczne i elektromagnetyzm

14

4.2.1. Materiał nauczania

14

4.2.2. Pytania sprawdzające

18

4.2.3. Ćwiczenia

18

4.2.4. Sprawdzian postępów

19

4.3. Prąd stały

20

4.3.1. Materiał nauczania

20

4.3.2. Pytania sprawdzające

24

4.3.3. Ćwiczenia

24

4.3.4. Sprawdzian postępów

26

4.4. Prąd przemienny

27

4.4.1. Materiał nauczania

27

4.4.2. Pytania sprawdzające

31

4.4.3. Ćwiczenia

31

4.4.4. Sprawdzian postępów

34

4.5. Pomiary elektryczne

35

4.5.1. Materiał nauczania

35

4.5.2. Pytania sprawdzające

38

4.5.3. Ćwiczenia

39

4.5.4. Sprawdzian postępów

42

4.6. Elementy elektroniczne

43

4.6.1. Materiał nauczania

43

4.6.2. Pytania sprawdzające

47

4.6.3. Ćwiczenia

47

4.6.4. Sprawdzian postępów

49

4.7. Układy elektroniczne

50

4.7.1. Materiał nauczania

50

4.7.2. Pytania sprawdzające

54

4.7.3. Ćwiczenia

55

4.7.4. Sprawdzian postępów

57

4.8. Elektryczne urządzenia wykonawcze w automatyce oraz zabezpieczenia

instalacji elektrycznych i układów elektronicznych

58

4.8.1. Materiał nauczania

58

4.8.2. Pytania sprawdzające

61

4.8.3. Ćwiczenia

62

4.8.4. Sprawdzian postępów

64

4.9. Podstawy techniki cyfrowej i wykorzystanie komputera

65

4.9.1. Materiał nauczania

65

4.9.2. Pytania sprawdzające

68

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3

4.9.3. Ćwiczenia

68

4.9.4. Sprawdzian postępów

69

5.

Sprawdzian osiągnięć ucznia

70

6.

Literatura

77

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o badaniach układów elektrycznych

i elektronicznych.

W poradniku znajdziesz:

−

wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć ukształtowane,
aby

bez problemów korzystać z poradnika,

−

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

−

materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do osiągnięcia założonych celów
kształcenia i opanowania umiejętności zawartych w jednostce modułowej,

−

zestaw pytań sprawdzajacych, abyś mógł sprawdzić czy już opanowałeś określone treści,

−

ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować
twoje umiejętności praktyczne,

−

sprawdzian postępów,

−

sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań; zaliczenie testu potwierdzi
opanowanie materiału całej jednostki modułowej,

−

literaturę uzupełniającą.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5

Schemat układu jednostek modułowych

Moduł 731[01].O1

Podstawy miernictwa

731[01].O1.02

Wykonywanie pomiarów

warsztatowych

731[01].O1.03

Wykonywanie pomiarów

przemysłowych

731[01].O1.04

Badanie układów

elektrycznych

i elektronicznych

731[01].O1.01

Przestrzeganie przepisów

bezpieczeństwa i higieny pracy,

ochrony przeciwpożarowej

oraz ochrony środowiska

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

korzystać z różnych źródeł informacji,

−

stosować jednostki układu SI,

−

przeliczać jednostki,

−

wykonywać wykresy funkcji,

−

posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu fizyki,

−

użytkować komputer,

−

współpracować w grupie,

−

stosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej i ochrony
środowiska.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

zinterpretować prawa i zjawiska fizyczne występujące w obwodach elektrycznych,

−

zastosować podstawowe pojęcia oraz wielkości charakteryzujące obwody elektryczne,

−

rozróżnić elementy składowe obwodu elektrycznego,

−

obliczyć wartość wielkości elektrycznych w prostych obwodach prądu stałego
i przemiennego,

−

odczytać na schematach symbole graficzne podstawowych elementów elektrycznych
i elektronicznych,

−

określić funkcje elementów i układów elektrycznych i elektronicznych,

−

rozróżnić elementy instalacji elektrycznej: przewody, łączniki, osprzęt instalacyjny oraz
zabezpieczenia,

−

zastosować zasady bezpiecznej obsługi maszyn i urządzeń elektrycznych,

−

scharakteryzować właściwości elektrycznych przyrządów pomiarowych,

−

dobrać przyrządy do pomiaru wielkości elektrycznych,

−

połączyć układy elektryczne i elektroniczne na podstawie schematów,

−

wykonać pomiar napięcia, natężenia i mocy prądu elektrycznego oraz rezystancji,

−

skorzystać z uniwersalnych mierników analogowych i cyfrowych do pomiarów
elektrycznych,

−

wyjaśnić budowę, zasadę działania i określić funkcje elektrycznych układów
wykonawczych w urządzeniach automatyki,

−

wyjaśnić budowę, zasadę działania i określić funkcje innych układów wykonawczych
w urządzeniach automatyki,

−

sprawdzić zabezpieczenia instalacji i urządzeń elektrycznych oraz układów
elektronicznych,

−

posłużyć się dokumentacją techniczną, katalogami oraz normami technicznymi przy
doborze elementów elektrycznych i elektronicznych,

−

skorzystać z programów komputerowych przy dobieraniu elementów układów
pomiarowych i elektrycznych układów wykonawczych,

−

zastosować zasady bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej
oraz ochrony środowiska na stanowisku pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Pole elektryczne

4.1.1. Materiał nauczania

W przestrzeni istnieją ładunki elektryczne dodatnie i ujemne. Ładunki jednoimienne

odpychają się, a różnoimienne przyciągają. Przestrzeń, w której istnieją ładunki elektryczne
nazywamy polem elektrycznym. Polem elektrostatycznym nazywamy pole elektryczne
dookoła ładunków nieruchomych i niezmiennych w czasie. Pole elektryczne można
przedstawić graficznie za pomocą linii jak na rysunku 1.

Rys. 1.

Obraz pola elektrycznego między dwoma ładunkami różnoimiennymi
i równoimiennymi [opracowanie własne]

Najmniejszym ładunkiem elementarnym jest ładunek elektronu

19

10

1,602

e

−

⋅

−

=

Prawo Coulomba – dwa naelektryzowane ciała o ładunkach punktowych Q

1

, Q

2

działają

na siebie siłą F proporcjonalną do iloczynu ładunków, a odwrotnie proporcjonalną
do kwadratu odległości między nimi. Siłę kulombowską oblicza się z wzoru:

2

r

0

2

1

r

ε

ε

π

4

Q

Q

F

⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

=

gdzie:
F

– siła [N],

Q

1

, Q

2

– wartość ładunków elektrycznych punktowych [C],

ε

0

– przenikalność elektryczna próżni [F/m],

ε

r

– przenikalność elektryczna względna ośrodka,

r

– odległość między ładunkami [m].

Przenikalność elektryczna względna

ε

r

wskazuje, ile razy jest większa przenikalność

ε

danego ośrodka od przenikalności próżni.

0

r

ε

ε

ε

=

Ładunek elektryczny jest zależny od natężenia prądu i czasu. Jednostką ładunku jest
amperosekunda [As] zwana kulombem [C]. Ładunek Q przenoszony przez prąd stały
o natężeniu I w czasie t obliczamy ze wzoru:

t

I

Q

⋅

=

gdzie:
t

– czas [s],

I

– natężenie prądu [A].
Stosunek ładunku Q na dwóch elektrodach oddzielonych dielektrykiem do napięcia

U między tymi elektrodami nazywamy pojemnością elektryczną C, która wyraża
się wzorem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

9

U

Q

C

=

gdzie:
C

– pojemność elektryczna [F],

U – napięcie między ładunkami[V].

Jednostką pojemności jest Farad [F]. Do wyrażania pojemności kondensatorów używamy

przedrostków: mF, μF, nF, pF.
Natężenie pola elektrycznego charakteryzuje intensywność pola elektrycznego. Natężenie
pola jest równe ilorazowi siły F działającej na ładunek próbny q do wartości tego ładunku.

Natężenie pola jest wektorem E , którego zwrot jest zgodny ze zwrotem siły F .

q

F

E

=

Natężenie pola między dwoma płaskimi elektrodami obliczamy z wzoru:

d

U

E

=

gdzie:
U

– napięcie [V],

d

– odległość [m].

d

E

U

+Q

-Q

Rys. 2.

Płaskie elektrody naładowane różnoimiennie [opracowanie własne]

Napięcie elektryczne między dwoma punktami A i B w polu elektrycznym jest równe
stosunkowi pracy przy przenoszeniu małego dodatniego ładunku próbnego q z punktu
A do punktu B do tego ładunku:

q

W

U

AB

AB

=

gdzie:
U

AB

– napięcie elektryczne między punktami A i B [V],

W

AB

– praca [J],

q

– ładunek próbny [C].

Napięcie elektryczne względem pewnego punktu odniesienia na przykład punktu

A nazywamy potencjałem V

A.

Napięcie można przedstawić jako różnicę dwóch potencjałów

między punktami A i B, wtedy wzór na napięcie wyraża się następująco:
U=V

A

–V

B

gdzie:
V

A

– potencjał w punkcie A [V],

V

B

– potencjał w punkcie B [V].
Rozróżniamy napięcie stałe, zmienne i przemienne. Napięcie stałe oznaczamy literkami

DC, a napięcie przemienne AC.
Kondensatorem (rys. 2) nazywamy układ dwóch okładzin odizolowanych od siebie
dielektrykiem. Na okładzinach pod wpływem napięcia gromadzą się ładunki elektryczne.
Pojemność kondensatora płaskiego obliczamy z wzoru:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

10

d

ε

ε

S

C

r

0

⋅

⋅

=

gdzie:
C

– pojemność [F],

ε

0

– przenikalność elektryczna próżni [F/m],

ε

r

– przenikalność elektryczna względna danego ośrodka,

d

– odległość między elektrodami [m],

S – pole powierzchni [m

2

].

d

ε

s

Rys. 3.

Budowa kondensatora płaskiego [opracowanie własne]

Przenikalność elektryczna próżni

ε

0

= 8,85

12

10

−

⋅

[F/m], a przenikalność określonego

dielektryka

ε

=

ε

0

r

ε

⋅

[F/m].

Na rysunku 4 przedstawiono symbole kondensatorów:

a) kondensator o stałej pojemności,
b) kondensator elektrolityczny wymagający odpowiedniej biegunowości,
c) kondensator o regulowanej pojemności,
d) kondensator dostrojczy tzw. trymer.

+

-

a)

c)

d)

b)

Rys. 4.

Symbole kondensatorów [opracowanie własne]

Aby zwiększyć pojemność kondensatory łączymy równolegle (rys. 5a), pojemność

zastępczą C wylicza się z wzoru:

C = C

1

+C

2

+C

3

Aby zmniejszyć pojemność kondensatory łączymy szeregowo (rys. 5b), pojemność

wypadkową C wylicza się z wzoru:

3

2

1

C

1

C

1

C

1

C

1

+

+

=

Kondensatory można też łączyć w sposób mieszany (rys. 5c) wtedy pojemność zastępczą

C dla podanego przykładu wylicza się z wzoru:

4

3

4

3

2

1

2

1

C

C

C

C

C

C

C

C

C

+

⋅

+

+

⋅

=

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

11

C

1

C

2

C

3

C

1

C

2

C

3

C

4

C

1

C

2

C

3

a)

b)

c)

Rys. 5. Łączenie kondensatorów [opracowanie własne]

Podstawowe parametry kondensatorów to: pojemność znamionowa, napięcie

znamionowe, współczynnik stratności. Pojemność kondensatora oznaczona jest na obudowie
kondensatora w postaci cyfr lub kodu barwnych kresek lub kropek. Kody używane przez
producentów kondensatorów można znaleźć w katalogach elementów elektronicznych.

Przykładowe rodzaje kondensatorów o stałej pojemności:

−

elektrolityczne (od 1 μF do 100 mF),

−

powietrzne

(od 50 pF do 10 nF),

−

ceramiczne

(od 0,5 pF do 10 nF),

−

mikowe

(od 10 pF do 100 nF),

−

poliestrowe

(od 1 nF do 1 μF),

−

polistyrenowe

(od 10 pF do 0,1 μF).

4.1.2. Pytania sprawdzające

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

1. Co to jest pole elektryczne?
2. Jak oddziaływają na siebie ładunki elektryczne jednoimienne i różnoimienne?
3. Co to jest pojemność elektryczna?
4. Co to jest napięcie elektryczne?
5. Od czego zależy pojemność elektryczna kondensatora płaskiego?
6. Jak oznaczamy kondensatory na schematach elektrycznych?
7. Jak

obliczamy

pojemność

zastępczą

kondensatorów

połączonych

szeregowo

i równolegle?

8. Jakie znasz podstawowe parametry opisujące kondensator?
9. Jakie nazwy mają kondensatory w zależności od rodzaju dielektryka?
10. Jakie są rodzaje przenikalności elektrycznej i jaka jest zależność między nimi?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na schematach a, b, c przedstawiono mieszane połączenia kondensatorów o jednakowej

pojemności C=2 μF. Oblicz pojemność zastępczą kondensatorów przedstawionych na
rysunku 1.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

a)

b)

c)

Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać wzory na połączenie szeregowe i równoległe kondensatorów,
2) pogrupować kondensatory i narysować kolejne schematy po uproszczeniu,
3) obliczyć pojemność poszczególnych grup kondensatorów,
4) obliczyć pojemność zastępczą,
5) opracować wnioski i zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

arkusze papieru formatu A4,

−

linijka, ołówek,

−

poradnik dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Wykonaj pomiar pojemności dziesięciu różnych typów kondensatorów o stałej

pojemności.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wybrać dziesięć kondensatorów np. elektrolityczny, mikowy, poliestrowy,
2) przeanalizować instrukcję obsługi miernika cyfrowego RLC,
3) zmierzyć pojemność kondensatorów miernikiem RLC,
4) odczytać pojemności opisane na kondensatorach i zanotować je,
5) dla każdego kondensatora odszukać parametry w katalogu lub Internecie,
6) porównać wartości odczytane i pomierzone,
7) opracować wnioski i zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

arkusze papieru formatu A4,

−

miernik cyfrowy RLC,

−

zestaw kondensatorów, katalog elementów elektronicznych (lub dostęp do strony
internetowej producenta kondensatorów).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

zdefiniować pole elektryczne?





2)

narysować linie sił pola elektrycznego wokół ładunków jednoimiennych i
różnoimiennych?





3)

zdefiniować pojemność elektryczną?





4)

obliczyć pojemność kondensatora płaskiego?





5)

obliczyć pojemność zastępczą kondensatorów połączonych szeregowo,
równolegle i szeregowo–rónolegle?





6)

skorzystać z katalogu i odczytać podstawowe parametry kondensatorów?





7)

zmierzyć pojemność kondensatora miernikiem cyfrowym RLC?





„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

14

4.2. Pole magnetyczne i elektromagnetyzm

4.2.1. Materiał nauczania

Pole magnetyczne to przestrzeń, w której na poruszające się ładunki elektryczne działa

siła. Przepływ prądu przez przewodnik również powoduje powstanie pola magnetycznego
w przestrzeni wokół przewodnika. Pole magnetyczne można przedstawić graficznie w postaci
linii sił pola magnetycznego. Linie sił dla sztabki magnesu wychodzą z bieguna N, a wchodzą
do bieguna S (rys. 6).

N

S

Rys. 6.

Pole magnetyczne magnesu trwałego [opracowanie własne]

Wokół przewodu z prądem (rys. 7) linie sił mają postać okręgów, a zwrot linii

magnetycznych zależy od kierunku prądu płynącego w przewodzie i określamy go regułą
śruby prawoskrętnej: jeżeli śruba wkręcana jest zgodnie ze zwrotem prądu, to zwrot linii sił
pola magnetycznego jest zgodny z kierunkiem obrotów tej śruby.

Rys. 7. Linie sił pola magnetycznego wokół przewodu z prądem [opracowanie własne]

Wypadkowe pole magnetyczne na zewnątrz cewki (solenoidu) jest podobne do pola

magnesu trwałego (rys. 8).

Rys. 8. Linie sił pola magnetycznego wokół cewki [opracowanie własne]

Wielkości charakteryzujące pole magnetyczne

Natężenie pola magnetycznego H w odległości a

od przewodu z prądem wynosi:

gdzie:

H

– natężenie pola magnetycznego

[A/m],
I

– natężenie prądu [A],

a

– odległość od osi przewodu [m].
W każdym punkcie pola magnetycznego można określić wartość indukcji magnetycznej

B w jednostkach zwanych Tesla [T]:

a

π

2

I

H

⋅

⋅

=

II

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

15

gdzie:

B

– indukcja magnetyczna [T],

μ

– przenikalność magnetyczna bezwzględna [H/m].

Stosunek B do H nazywamy przenikalnością magnetyczną bezwzględną danego ciała

i mierzymy w henrach na metr [H/m]. Przenikalność magnetyczna bezwzględna μ określa
właściwości magnetyczne ośrodka:

gdzie:
μ

0

– przenikalność magnetyczna próżni

7

0

10

π

4

μ

−

⋅

⋅

=

[H/m],

μ

r

– przenikalność magnetyczna względna danego ośrodka.

Przenikalność

magnetyczna

względna

jest stosunek przenikalności

bezwzględnej

do przenikalności próżni:

0

r

μ

μ

μ

=

Strumień magnetyczny mierzony w weberach [Wb], obrazuje liczbę linii sił pola

magnetycznego w przekroju poprzecznym s:

gdzie:
B – indukcja magnetyczna [T],

Φ

– strumień pola magnetycznego [Wb],

S

– pole powierzchni przez które przenikają linie sił pola [m

2

].

Materiały poddane działaniu pola magnetycznego dzielimy na trzy grupy:

−

diamagnetyczne: μ

r

<

1 (woda),

−

paramagnetyczne: μ

r

>

1 (powietrze),

−

ferromagnetyczne: μ

r

>>

1 (żelazo).

Siła elektrodynamiczna F działająca na przewód z prądem w polu magnetycznym (rys. 9)

wyraża się wzorem:

l

⋅

⋅

=

I

B

F

gdzie:
F

– siła elektrodynamiczna [N],

I

– natężenie prądu [A],

l

– długość przewodu [m],

Rys. 9. Przewód z prądem w polu magnetycznym [opracowanie własne]

Zwrot siły F wyznacza się z reguły lewej dłoni: jeżeli lewą dłoń ustawimy tak, aby linie

pola magnetycznego o indukcji B były zwrócone do dłoni, a cztery palce pokazują zwrot

μ

H

B

⋅

=

0

r

μ

μ

μ

⋅

=

S

B

⋅

=

Φ

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

16

prądu I, to kciuk wskazuje zwrot siły F. Zjawisko poruszania się przewodu w polu
magnetycznym jest wykorzystywane między innymi w silnikach elektrycznych.

Na rysunku 10 przedstawiono przekrój elektromagnesu zbudowanego z rdzenia 2, zwory

3 i uzwojenia 1, przez które płynie prąd stały. Elektromagnes przyciąga zworę z siłą
wyrażającą się wzorem:



gdzie:
F

– siła [N],

µ

0

– przenikalność próżni [H/m],

S

– pole biegunów elektromagnesu [m

2

].

Rys. 10. Elektromagnes [opracowanie własne]

Indukcja elektromagnetyczna

Zjawisko

indukcji

elektromagnetycznej

polega

na

indukowaniu

się

siły

elektromotorycznej w obwodzie elektrycznym podczas zmian strumienia magnetycznego
przecinającego ten obwód (rys.11). Wartość indukowanej siły elektromotorycznej e w cewce
jest wprost proporcjonalna do zmian strumienia magnetycznego

∆Φ

/

∆

t i do liczby zwojów

cewki N. Siłę elektromotoryczną e obliczamy z wzoru:

gdzie:
e

– siła elektromotoryczna [V],

N

– liczba zwojów,

∆ Φ

– przyrost strumienia magnetycznego [Wb],

∆

t – odcinek czasu, w którym nastąpiła zmiana strumienia magnetycznego[s].

Rys. 11.

Zjawisko indukcji w nieruchomej cewce przy
poruszającym się magnesie trwałym z prędkością
v [opracowanie własne]

0

2

μ

2

S

2

B

F

⋅

⋅

⋅

=

Δt

Δ

N

e

Φ

⋅

−

=

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17

Indukowane napięcie może być wytworzone na trzy sposoby:

−

w nieruchomych przewodach przez zmienne pole magnetyczne,

−

w ruchomych przewodach przez stałe pole magnetyczne,

−

w ruchomych przewodach przez zmienne pole magnetyczne.
Zjawisko

indukcji

elektromagnetycznej

wykorzystywane

jest

w

prądnicach

i transformatorach (rys. 12).

Rys. 12. Transformator [opracowanie własne]

gdzie:
N

1

– liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym,

N

2

– liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym,

U

1

– napięcie doprowadzone,

U

2

– napięcie wyindukowane.

Zależność między liczbą zwojów, a napięciami w transformatorze jest następująca:

Stosunek

2

1

N

N

nazywany jest przekładnią transformatora.

Cewki indukcyjne

Cewką nazywamy zwojnicę, która wytwarza pole magnetyczne. Parametrem cewki jest

indukcyjność własna cewki L, mierzona w henrach [H], obliczana z wzoru:



gdzie:
L

– indukcyjność własna cewki [H],

N – liczba zwojów,

µ

– przenikalność magnetyczna rdzenia cewki [H/m],

S

– przekrój cewki [m

2

],

l

– długość cewki [m].

Rys. 13. Wymiary cewki [opracowanie własne]

2

1

2

1

U

U

N

N

=

l

S

μ

N

L

2

⋅

⋅

=

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

18

Cewki w zależności od zastosowania dzielimy na:

−

bezrdzeniowe (dławiki i transformatory wysokiej częstotliwości),

−

rdzeniowe (dławiki i transformatory małej częstotliwości z rdzeniem blaszanym
lub ferrytowym).
Cewka dla prądu przemiennego ma opór zwany reaktancją indukcyjną obliczaną z wzoru:

gdzie:
X

L

– reaktancja indukcyjna

dla prądu przemiennego [

Ω

],

f

– częstotliwość prądu przemiennego mierzona w hercach [Hz],

L

– indukcyjność własna cewki [H].

a)

b)

c)

d)

Rys. 14. Oznaczenia cewek na schematach elektrycznych: a) cewka bez rdzenia, b)

cewka z rdzeniem, c) cewka o nastawianej indukcyjności, d) cewka dostrajana
rdzeniem ferrytowym [opracowanie własne]

4.2.2. Pytania sprawdzające

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

1. Co to jest pole magnetyczne?
2. Jak przedstawiamy graficznie obraz pola wokół magnesu trwałego, przewodu z prądem,

cewki?

3. Jakie wielkości charakteryzują pole magnetyczne i jakie są ich jednostki?
4. Jak klasyfikujemy materiały pod względem właściwości magnetycznych?
5. Jak działa siła elektrodynamiczna na przewód z prądem w polu magnetycznym?
6. Jak indukuje się siła elektromagnetyczna w cewce z ruchomym magnesem trwałym?
7. Od czego zależy indukcyjność własna cewki?
8. Gdzie stosujemy cewki?
9. Jak nazywamy opór cewki dla prądu przemiennego?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz wartość indukcyjności własnej cewki przedstawionej na rysunku dla długości

cewki l wynoszącej 12,56 cm i 25,12 cm. Cewka umieszczona jest w powietrzu, ma 1000
zwoi, przekrój s = 0,01 m

2

. Przenikalność magnetyczna próżni

µ

0

=1,256

6

10

−

⋅

H/m. Na

podstawie uzyskanych obliczeń określ zależność indukcyjności L, od długości cewki.

Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne]

L

f

π

2

X

L

⋅

⋅

⋅

=

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

19

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać wzór na indukcyjność własną cewki,
2) obliczyć indukcyjność dla obu długości cewek,
3) porównać otrzymane wyniki i napisać wniosek, jak indukcyjność L, zależy od długości

cewki?

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru formatu A4,

−

poradnik dla ucznia,

−

linijka, ołówek, kalkulator.

Ćwiczenie 2

Wykonaj pomiar indukcyjności własnej L i oporności R dziesięciu różnych cewek

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wybrać dziesięć cewek np. dławik z rdzeniem i bez rdzenia, cewka jednowarstwowa

i wielowarstwowa,

2) zapoznać się z obsługą miernika cyfrowego RLC,
3) zmierzyć indukcyjność i opór cewek miernikiem RLC,
4) odczytać indukcyjności i zanotować je,
5) odszukać dany typ cewki w katalogu lub Internecie i oczytać jej parametry,

opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

arkusze papieru formatu A4, katalog elementów elektronicznych lub dostęp do strony
internetowej producenta cewek,

−

zestaw cewek, miernik RLC.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

zdefiniować pole magnetyczne?





2)

narysować obraz pola wokół magnesu trwałego, przewodu i cewki ?





3)

wymienić wielkości charakteryzujące pole magnetyczne?





4)

wyjaśnić zjawisko indukcji elekromagnetycznej?





5)

obliczyć indukcyjność własną cewki w zależności od wymiarów?





6)

obliczyć z wzoru opór cewki dla prądu przemiennego?





7)

zmierzyć oporność cewki oraz indukcyjność miernikiem cyfrowym
RLC?





„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

20

4.3. Prąd stały

4.3.1. Materiał nauczania

Obwód elektryczny jest to zespół elementów tworzących zamkniętą drogę

dla przepływu prądu elektrycznego. W skład obwodu elektrycznego wchodzą: źródło,
odbiornik, przewody, wyłącznik i przyrządy pomiarowe. Obwody mogą być nierozgałęzione
lub rozgałęzione. Poszczególne elementy obwodu można łączyć ze sobą szeregowo
lub równolegle (rys. 15).

Rys. 15. Przykładowy obwód elektryczny [opracowanie własne]

Źródła dzielimy na źródła napięciowe i prądowe. Ze względu na zmienność napięcia

i prądu w czasie, źródła dzielimy na źródła prądu stałego i źródła prądu zmiennego. Elementy
obwodu prądu stałego dzielimy na elementy: czynne (baterie, akumulatory, prądnice), bierne
(rezystory, kondensatory, cewki). W obwodzie elektrycznym wyróżniamy pojęcia: węzeł,
gałąź, oczko (rys. 16).

Rys. 16. Rozgałęziony obwód elektryczny [opracowanie własne]

Oznaczanie kierunków prądów i napięć w obwodzie elektrycznym (rys. 17):

−

umowny kierunek prądu oznacza się za pomocą strzałki narysowanej na przewodzie
lub nad przewodem, prąd płynie od wyższego potencjału (+) do niższego (–),

−

strzałkę oznaczającą biegunowość spadku napięcia na odbiorniku rysujemy tak, aby grot
strzałki wskazywał wyższy potencjał, zwrot strzałki napięcia jest przeciwny
do przyjętego zwrotu prądu.

Rys. 17. Oznaczanie kierunku prądu i napięcia [opracowanie własne]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

21

Rezystor w obwodzie prądu stałego

Rezystorem nazywamy element obwodu elektrycznego o określonej wartości rezystancji.

Rezystor przekształca energię prądu elektrycznego w ciepło. Rezystory wykonuje się o stałej
wartości rezystancji lub o nastawnej wartości rezystancji (potencjometry). Najczęściej
stosowane symbole rezystorów przedstawiono na rysunku 19.

Rodzaje rezystorów stałych z uwagi na technologie wykonania:

−

drutowe (np. manganin, nikielina),

−

węglowe (warstwa węgla),

−

metalizowane (warstwa metalu np. chrom),

−

wykonane z tlenków metali (np. tlenek cynku).
Najważniejszymi parametrami rezystorów są: rezystancja znamionowa wyrażana

w

Ω

, tolerancja wykonania np.

%

2

+

−

, moc znamionowa np. 2 W, napięcie znamionowe

np. 100V. Wartości znamionowe rezystancji w zależności od tolerancji tworzą tzw. szeregi
np.E6, E12, E24.

Wartość rezystancji jest opisana na korpusie rezystora w postaci kodu literowo–

cyfrowego np. 1R33, co oznacza 1,33[

Ω

], lub w postaci kodu barwnego np. cztery barwne

kreski (rys.18).

Rys. 18. Kodowanie rezystancji [opracowanie własne]

Kody barwne i ciągi wartości znamionowych rezystancji można znaleźć w katalogach

producentów lub w literaturze dotyczącej elektroniki.

Rys. 19. Symbole rezystorów: a) rezystor stały, b) rezystor zmienny, c) rezystor nastawny

[opracowanie własne]

Prawo Ohma – wartość prądu płynącego w przewodniku jest wprost proporcjonalna

do napięcia doprowadzonego do jego końców, a odwrotnie proporcjonalna do rezystancji tego
przewodnika. Prawo Ohma można zapisać w postaci wzoru:

gdzie:
I

– natężenie prądu [A],

U – napięcie [V],
R – rezystancja (opór elektryczny) [

Ω

].

Prawa Kirchhoffa

Do obliczania obwodów elektrycznych oprócz prawa Ohma stosuje się też dwa prawa

Kirchhoffa. Pierwsze prawo Kirchhoffa dotyczy prądów w węźle i brzmi następująco: suma
prądów wpływających do węzła obwodu elektrycznego jest równa sumie prądów z niego
wypływających. Zgodnie z tym prawem dla węzła A na rysunku 20, można napisać równanie:

5

3

2

4

1

I

I

I

I

I

+

+

=

+

R

U

I

=

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

22

gdzie:
I

1

, I

4

– prądy wpływające do węzła A [A],

I

2

, I

3

, I

5

– prądy wypływające z węzła A [A].

Rys 20. Węzeł obwodu elektrycznego [opracowanie własne]

Drugie prawo Kirchhoffa mówi, że algebraiczna suma sił elektromotorycznych i spadków

napięć w każdym oczku obwodu elektrycznego jest równa zeru. Na rysunku 21 dla oczka
pierwszego (E

1

, R

1

, R

2

, E

2

) drugie prawo Kirchhoffa zapisujemy następującym równaniem:

0

U

U

E

E

2

1

2

1

=

−

−

+

gdzie:
E

1

, E

2

– siły elektromotoryczne [V],

U

1

, U

2

– spadki napięć [V].

Rys. 21. Przykładowe oczko obwodu rozgałęzionego [opracowanie własne]

Połączenia rezystorów

Szeregowe połączenie rezystorów charakteryzuje się tym, że przez wszystkie rezystory

przepływa ten sam prąd I. Opór zastępczy R

Z

rezystorów połączonych szeregowo

na rysunku 22 wynosi:

3

2

1

Z

R

R

R

R

+

+

=

Zgodnie z drugim prawem Kirchhoffa dla schematu na rysunku 22 można zapisać:

3

2

1

U

U

U

U

+

+

=

gdzie:
U – napięcie zasilania,
U

1

, U

2

, U

3

– spadki napięć.

Rys. 22. Szeregowe połączenie rezystorów [opracowanie własne]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

23

Równoległe połączenie rezystorów charakteryzuje się tym, że na wszystkich rezystorach

panuje to samo napięcie. Rezystancja zastępcza R

Z

dla trzech rezystorów połączonych

równolegle na rysunku 23 wynosi:

3

2

1

Z

R

1

R

1

R

1

R

1

+

+

=

Rys. 23. Równoległe połączenie rezystorów [opracowanie własne]

Zgodnie z pierwszym prawem Kirchhoffa dla węzła A na rysunku 23 można zapisać:

3

2

1

I

I

I

I

+

+

=

a prądy w gałęziach będą miały wartość:



Dla dwóch rezystorów R

1

i R

2

połączonych równolegle opór zastępczy obliczamy z wzoru:

2

1

2

1

Z

R

R

R

R

R

+

⋅

=

Obwód nierozgałęziony i rozgałęziony

W obwodzie nierozgałęzionym zawierającym kilka źródeł napięcia wartość prądu jest

równa ilorazowi sumy sił elektromotorycznych (z uwzględnieniem znaków) i sumy
wszystkich rezystancji.

Na rysunku 24 przedstawiono schemat obwodu z dwoma rzeczywistymi źródłami

napięcia E

1

, E

2

o rezystancjach wewnętrznych Rw

1

, Rw

2

i dwoma rezystorami R

1

, R

2

. Prąd

płynący w obwodzie oblicza się z wzoru:

2

1

2

1

2

1

R

R

Rw

Rw

E

E

I

+

+

+

+

=

Rys. 24. Obwód nierozgałęziony z dwoma źródłami napięcia [opracowanie własne]

3

1

2

1

1

1

R

U

I

R

U

I

R

U

I

=

=

=

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

24

Na rysunku 25 przedstawiono kolejne etapy przekształcenia obwodu rozgałęzionego,

dzięki którym można obliczyć wartość prądu I.

Rys. 25. Kolejne etapy przekształcania obwodu rozgałęzionego [opracowanie własne]

Energia i moc prądu elektrycznego.

Wartość energii elektrycznej jest wprost proporcjonalna do napięcia, prądu i czasu jego

przepływu. Energię mierzymy w dżulach [J] i obliczamy z wzoru:

t

I

U

W

⋅

⋅

=

gdzie:
W

– energia elektryczna [J],

U – napięcie [V],
I

– natężenie prądu [A],

t

– czas [s].

Mocą P nazywamy stosunek energii prądu elektrycznego do czasu przepływu tego prądu

i mierzy się ją w watach [W].

I

U

t

W

P

⋅

=

=

4.3.2. Pytania sprawdzające

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

1. Jakie elementy mogą wchodzić w skład obwodu elektrycznego i jakie są ich symbole?
2. Co to jest węzeł, gałąź, oczko obwodu elektrycznego?
3. Jakie zasady obowiązują przy oznaczaniu napięć i prądów?
4. Jak brzmi prawo Ohma oraz pierwsze i drugie prawo Kirchhoffa?
5. Jak obliczamy rezystancję zastępczą rezystorów połączonych szeregowo i równolegle?
6. Jak obliczamy prąd w obwodzie nierozgałęzionym i rozgałęzionym?
7. Jak definiujemy moc i energię elektryczną?
8. Jakie są rodzaje rezystorów oraz ich parametry?
9. Jak oznaczamy rezystory?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na schematach a, b, c, przedstawiono mieszane połączenie rezystorów o jednakowej

rezystancji R=2

Ω

. Oblicz rezystancję zastępczą R

Z

poszczególnych układów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

25

Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać wzory na połączenie szeregowe i równoległe,
2) pogrupować rezystory i narysować kolejne etapy przekształceń,
3) obliczyć rezystancję poszczególnych grup, a potem rezystancję zastępczą,
4) opracować wnioski i zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru formatu A4,

−

linijka, ołówek, kalkulator.

Ćwiczenie 2

Wykonaj pomiar oporności dziesięciu różnych rezystorów z kodem paskowym za pomocą

miernika uniwersalnego i miernika cyfrowego RLC. Odczytaj wartość rezystancji zapisanej
na rezystorze za pomocą kodu paskowego. Porównaj odczytane wyniki z pomiarami
rezystancji.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wybrać dziesięć rezystorów z kodem paskowym (maksymalnie 4 paski),
2) przeanalizować instrukcję obsługi mierników do pomiaru rezystancji,
3) zmierzyć rezystancję oporników miernikami i zanotować wyniki,
4) odczytać kod paskowy na rezystorach korzystając z tablic w literaturze,
5) porównać wyniki otrzymane z pomiaru miernikami z odczytanym kodem pasowym.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

arkusze papieru formatu A4, katalog elementów elektronicznych,

−

zestaw rezystorów, miernik uniwersalny, miernik RLC.

Ćwiczenie 3

Oblicz wartość prądu w obwodzie nierozgałęzionym (rys. a) z dwoma źródłami napięcia,

jeżeli E

1

=10 V, E

2

=4 V, R

1

=8

Ω

, R

2

=7,5

Ω

, R

3

=4

Ω

, Rw

1

=0,1

Ω

, Rw

2

=0,4

Ω

. Zaznacz

strzałkami kierunki napięć na rezystorach i oblicz ich wartość. Napisz równanie na drugie
prawo Kirchhoffa dla oczka z rysunku do ćwiczenia 3a).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

26

Oblicz wartość prądu w obwodzie rozgałęzionym, jeżeli E=4 V, R

1

=3

Ω

, R

2

=2

Ω

,

R

3

=6

Ω

, R

4

=4

Ω

, R

5

=4

Ω

. Napisz równanie na drugie prawo Kirchhoffa dla oczka

pierwszego z rysunku do ćwiczenia 3b.

Rys. do ćwiczenia 3 [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać wzory dla obwodów nierozgałęzionych i rozgałęzionych,
2) obliczyć prąd oraz spadki dla obwodu z rysunku a), napisać prawo Kirchhoffa dla oczka,
3) narysować uproszczony schemat rysunku b), obliczyć prąd i napisać prawo Kirchhoffa

dla oczka pierwszego.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru formatu A4,

−

linijka, ołówek, kalkulator.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

zdefiniować elementy obwodu elektrycznego i narysować go?





2)

wyjaśnić zasadę strzałkowania prądów i napięć?





3)

zdefiniować prawo Ohma i prawa Kirchhoffa?





4)

obliczyć rezystancję zastępczą rezystorów połączonych szeregowo,
równolegle i mieszanie?





5)

obliczyć prąd w obwodzie nierozgałęzionym i rozgałęzionym?





6)

obliczyć moc i energię elektryczną?





7)

zmierzyć

rezystancję

opornika

miernikiem

uniwersalnym,

miernikiem RLC, odczytać barwny kod paskowy na rezystorach?





„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

27

4.4. Prąd przemienny

4.4.1. Materiał nauczania

Wytwarzanie napięcia przemiennego

Najbardziej rozpowszechnionym napięciem przemiennym jest napięcie sinusoidalne,

którego wartość w kolejnych chwilach czasu można opisać wzorem:

t

sinω

U

u

m

⋅

=

gdzie:
u

– wartość chwilowa napięcia [V],

U

m

– wartość maksymalna napięcia (amplituda) [V],

ω

– prędkość kątowa (pulsacja) [rad/s],

t

– czas [s],

sin – funkcja matematyczna.

Napięcie sinusoidalnie zmienne jest wytwarzane w prądnicach lub generatorach.

Uproszczony model prądnicy pokazany jest na rysunku 26.

Rys. 26. Model prądnicy prądu sinusoidalnie zmiennego [opracowanie własne]

Prądnica zbudowana jest z części nieruchomej stojana, który tworzą bieguny magnesów

N

−

S oraz z części ruchomej – wirnika przedstawionego na rysunku jako ramka. Podczas

wirownia ramki z prędkością kątową (

ω

) boki ramki przecinają pole magnetyczne pomiędzy

biegunami N

−

S. Dzięki temu w ramce indukuje się napięcie sinusoidalnie zmienne, którym

można zasilić odbiornik energii za pośrednictwem wirujących pierścieni stykających
się ze szczotkami.
Podstawowe parametry przebiegu sinusoidalnego

Okresem T nazywa się czas jednej pełnej oscylacji, po której przebieg powtarza

się (rys. 27). Liczbę okresów w ciągu jednej sekundy nazywamy częstotliwością.
Częstotliwość mierzona w hercach [H] jest odwrotnością okresu i wyraża się wzorem:

T

1

f

=

gdzie:
f

– częstotliwość [Hz],

T

– okres [s].

Prędkość kątowa (

ω

) zwana pulsacją wyraża się wzorem:

f

π

2

T

π

2

ω

⋅

⋅

=

⋅

=

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

28

Przebieg sinusoidalny ma swoją wartość maksymalną U

m

zwaną amplitudą (rys. 27).

Znając wartość maksymalną możemy obliczyć wartość skuteczną napięcia i prądu, którą
mierzą mierniki prądu zmiennego: woltomierz i amperomierz. Wartości skuteczne oznaczamy
dużymi literami U, I i obliczamy z wzoru:

m

m

U

0,707

2

U

U

⋅

=

=

m

m

I

0,707

2

I

I

⋅

=

=

gdzie:
U

– wartość skuteczna napięcia [V],

U

m

– amplituda napięcia [V],

I

– wartość skuteczna prądu [A],

I

m

– amplituda prądu [A].

Rys. 27. Parametry przebiegu sinusoidalnego [opracowanie własne]

Przebieg napięcia sinusoidalnego można oglądać podłączając oscyloskop do generatora.

Oscyloskopem można zmierzyć amplitudę napięcia i okres sygnału.
Rezystor w obwodzie prądu przemiennego

Gdy do rezystora doprowadzimy napięcie sinusoidalnie zmienne o wartości

ωt

sin

U

u

m

⋅

=

to przez rezystor popłynie prąd

ωt

sin

I

i

m

⋅

=

o wartości maksymalnej

R

U

I

m

m

=

, którego wartość skuteczna wynosi

R

U

I

=

.

Kondensator C w obwodzie prądu sinusoidalnego

Jeżeli kondensator dołączymy do źródła napięcia przemiennego, to jego okładki

są na przemian ładowane dodatnim i ujemnym ładunkiem. W obwodzie prądu przemiennego
kondensator stanowi opór zwany reaktancją pojemnościową i wyznacza się go z wzoru:

C

f

π

2

1

C

ω

1

X

C

⋅

⋅

⋅

=

⋅

=

gdzie:
X

C

– reaktancja pojemnościowa [

Ω

],

f

– częstotliwość [Hz],

ω

– pulsacja [rad/s],

C – pojemność [F].

Reaktancja pojemnościowa jest tym większa, im mniejsza jest częstotliwość napięcia

zasilania. Obecność kondensatora w obwodzie prądu sinusoidalnego powoduje przesunięcie
fazowe pomiędzy prądem i napięciem (rys.28). Przebieg prądu wyprzedza przebieg napięcia
o kąt

π

/2 (90

o

).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

29

Rys. 28. Przebiegi czasowe napięcia i prądu dla kondensatora [opracowanie własne]

Cewka L w obwodzie prądu sinusoidalnego

Wpływ cewki na wartość prądu przemiennego określa się przy pomocy reaktancji

indukcyjnej X

L

:

L

f

π

2

L

ω

X

L

⋅

⋅

⋅

=

⋅

=

gdzie:
X

L

– reaktancja indukcyjna [

Ω

],

L

– indukcyjność [H].

Reaktancja indukcyjna jest tym większa im większa jest częstotliwość przebiegu

napięcia zasilania i indukcyjność cewki. Przebieg prądu płynącego przez cewkę opóźnia
się

o

kąt

π

/2 (90

o

) względem napięcia panującego na cewce (rys. 29).

Rys. 29. Przebiegi czasowe napięcia i prądu dla cewki [opracowanie własne]

Moc prądu sinusoidalnego:

−

moc czynna:

R

R

I

U

P

⋅

=

[W],

−

moc bierna indukcyjna:

L

L

L

I

U

Q

⋅

=

[var],

−

moc bierna pojemnościowa:

C

C

C

I

U

Q

⋅

=

[var],

−

moc pozorna:

I

U

S

⋅

=

[VA].

gdzie:

C

L

R

U

,

U

,

U

– wartości skuteczne napięć [V],

C

L

R

I

,

I

,

I

– wartość skuteczna prądów [A].

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

30

Obwód szeregowy z elementami RLC

Na rysunku 30 przedstawiono obwód szeregowy RLC, dla którego można obliczyć

wartość skuteczną napięcia zasilającego U oraz wartość oporności zastępczej Z – zwanej
impedancją:

2

C

L

2
R

)

U

(U

U

U

−

+

=

2

2

)

(

C

L

X

X

R

Z

−

+

=

Prąd w obwodzie szeregowym RLC oraz spadki napięć obliczamy następująco:

Z

U

I

=

,

R

I

U

R

⋅

=

,

L

L

X

I

U

⋅

=

,

C

C

X

I

U

⋅

=

Rys. 30. Obwód szeregowy RLC [opracowanie własne]

Rezonans szeregowy

W obwodzie szeregowym RLC występuje zjawisko rezonansu pod warunkiem,

że

C

L

X

X

=

. Wówczas

R

U

U

=

, ponieważ

C

L

U

U

=

. Impedancja jest minimalna Z=R,

ponieważ

C

L

X

X

=

. Z równania

C

L

X

X

=

można obliczyć częstotliwość rezonansową

r

f :

C

L

π

2

1

f

r

⋅

⋅

⋅

=

Układy trójfazowe – połączenie w trójkąt i gwiazdę

Trójfazowy odbiornik lub źródło energii elektrycznej można połączyć na dwa sposoby:

w gwiazdę (rys.31a) lub w trójkąt (rys.31b).

Rys. 31. Odbiorniki trójfazowe połączone: a) w gwiazdę; b) w trójkąt [opracowanie własne]

W silnikach trójfazowych można uzyskać odpowiednie połączenie gwiazdy lub trójkąta

mostkując zaciski u, v, w, na tabliczce przyłączeniowej silnika (rys. 32).

Rys. 32. Tabliczka zaciskowa silnika: a) połączenie w gwiazdę, b) połączenie w trójkąt [opracowanie własne]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

31

Układ

połączenia

faz

w

gwiazdę

może

występować

w

postaci

układu

czteroprzewodowego z przewodem neutralnym (rys. 33). Przewód neutralny jest uziemiony
i ma potencjał równy zero.

Rys. 33. Czteroprzewodowa linia sieci napięcia trójfazowego [opracowanie własne]

Napięcia pomiędzy przewodem fazowym, a przewodem zerowym nazywają

się napięciami fazowymi, a napięcia między poszczególnymi przewodami fazowymi
nazywają się napięciami międzyfazowymi. W układzie połączeń w gwiazdę napięcie

międzyfazowe U jest 3 razy większe od napięcia fazowego, a prąd przewodowy I jest równy

prądowi fazowemu

f

I :

f

U

3

U

⋅

=

,

f

I

I

=

. Jeżeli

230V

U

f

=

to

400V

230

3

U

=

⋅

=

.

W układzie trójkąta napięcie międzyfazowe jest równe napięciu fazowemu, a prąd

przewodowy jest 3 razy większy od prądu fazowego:

f

U

U

=

,

f

I

3

I

⋅

=

4.4.2. Pytania sprawdzające

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

1. Jak powstaje prąd sinusoidalnie zmienny?
2. Jakie parametry opisują przebieg sinusoidalny?
3. Jak obliczamy wartość skuteczną prądu i napięcia?
4. Jak wyglądają przebiegi czasowe prądu i napięcia dla cewki i kondensatora?
5. Co to jest reaktancja cewki i kondensatora?
6. Jakie są rodzaje mocy w obwodach prądu przemiennego?
7. Kiedy występuje rezonans w obwodzie szeregowym RLC?
8. Jakie napięcia wyróżniamy w obwodzie połączeń w gwiazdę?
9. Jak możemy łączyć uzwojenia silnika trójfazowego?
10. Co to jest impedancja?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wyznacz wskazania woltomierzy i amperomierza na rysunku 1, jeżeli parametry obwodu

wynoszą: R = 100

Ω

, L = 100 mH, C= 10

µ

F. Obwód jest zasilany napięciem o wartości

skutecznej U = 230 V i częstotliwości 50 Hz. Oblicz moc czynną, bierną indukcyjną, bierną
pojemnościową i moc pozorną odbiorników na rysunku 1.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

32

Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać wzory na reaktancję, impedancję i napięcia skuteczne w obwodzie szeregowym

RLC,

2) obliczyć reaktancję indukcyjną i pojemnościową, a na ich podstawie impedancję Z,
3) obliczyć wartość skuteczną prądu na podstawie impedancji Z i napięcia zasilania U,
4) obliczyć spadki napięć (wskazania woltomierzy),
5) obliczyć moc czynną, bierną i pozorną na podstawie wartości prądu I oraz danych

oporności R, X

L

, X

C

,

6) wykonać obliczenie sprawdzające, czy wartość napięcia otrzymana z wzoru

2

C

L

2
R

)

U

(U

U

U

−

+

=

jest równa napięciu zasilania 230 V,

7) opracować wnioski i zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru formatu A4,

−

linijka, ołówek, kalkulator.

Ćwiczenie 2

Wykonaj 10 pomiarów amplitudy sygnału sinusoidalnego z generatora za pomocą

oscyloskopu. Oblicz wartość skuteczną mierzonego napięcia. Narysuj przykładowy
oscylogram i zaznacz U

m

oraz wartość skuteczną U.

Tabela do ćwiczenia 2

Ilość

działek

amplitudy
D

Stała wzmocnienia
toru Y
C

V

Amplituda

V

m

C

D

U

⋅

=

Wartość skuteczna

2

U

U

m

=

Częstotliwość
f

Lp

dz

V/dz

V

V

Hz

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) połączyć generator z oscyloskopem za pomocą kabla,
2) przeanalizować zapisy instrukcji obsługi generatora i oscyloskopu,
3) po sprawdzeniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
4) ustalić wartość napięcia i częstotliwości na generatorze,
5) uzyskać odpowiedni obraz na oscyloskopie,
6) odczytać stałą C

V

(odchylenie pionowe),

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

33

7) policzyć liczbę działek amplitudy na ekranie

−

D,

8) obliczyć wartość amplitudy

V

m

C

D

U

⋅

=

,

9) obliczyć wartość skuteczną napięcia

2

U

U

m

=

,

10) zmienić wartość napięcia na generatorze przy zachowaniu częstotliwości f = 100 Hz,

dokonać kolejnego pomiaru,

11) narysować dwa przykładowe oscylogramy i zaznaczyć wartość U

m

i skuteczną,

12) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru formatu A4,

−

linijka, ołówek, kalkulator,

−

generator, oscyloskop.

Ćwiczenie 3

Wykonaj 10 pomiarów okresu napięcia sinusoidalnego z generatora za pomocą

oscyloskopu. Oblicz częstotliwość sygnału oraz narysuj na papierze milimetrowym dwa
przykładowe oscylogramy.

Tabela do ćwiczenia 3

Ilość działek okresu
D

Stała

podstawy

czasu
C

T

Okres

T

C

D

T

⋅

=

Częstotliwość

T

1

f

=

Napięcie
U

m

Lp

dz

s/dz

s

Hz

V

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) połączyć generator z oscyloskopem,
2) ustalić wartość napięcia i częstotliwości na generatorze,
3) po sprawdzeniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
4) regulować oscyloskopem, tak aby uzyskać odpowiedni obraz na ekranie,
5) odczytać stałą C

T

(odchylanie poziome),

6) policzyć liczbę działek D przypadającą na okres T,
7) obliczyć wartość okresu

T

C

D

T

⋅

=

,

8) obliczyć częstotliwość sygnału

T

1

f

=

,

9) zmienić wartość częstotliwości na generatorze przy zachowaniu tej samej amplitudy,

odczytać stałą podstawy czasu C

T

,

10) narysować na papierze milimetrowym dwa przykładowe oscylogramy z zaznaczonym

okresem,

11) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

arkusz papieru formatu A4,

−

linijka, ołówek, kalkulator,

−

generator, oscyloskop.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

34

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

wyjaśnić wytwarzanie napięcia przemiennego?





2)

zdefiniować podstawowe parametry przebiegu sinusoidalnego?





3)

obliczyć wartość skuteczną prądu i napięcia?





4)

obliczyć reaktancję cewki i kondensatora?





5)

rozróżnić napięcia w układzie połączeń w gwiazdę?





6)

wyjaśnić rezonans szeregowy?





7)

mierzyć napięcie i częstotliwość oscyloskopem?





8)

wyznaczyć impedancję obwodu szeregowego RLC?





„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

35

4.5. Pomiary elektryczne

4.5.1. Materiał nauczania

Ze względu na sposób uzyskania wyniku pomiaru metody pomiarowe dzieli

się na bezpośrednie i pośrednie. Pomiar bezpośredni pozwala na otrzymanie wartości
mierzonej wielkości za pomocą miernika, na przykład pomiar prądu amperomierzem
lub pomiar napięcia woltomierzem. Pomiar pośredni polega na obliczeniu danej wielkości
na podstawie pomiarów kilku innych wielkości na przykład obliczanie mocy

I

U

P

⋅

=

na podstawie pomiaru napięcia i prądu.

Ze względu na sposób przetwarzania sygnału pomiarowego, metody pomiarowe dzieli się

na analogowe i cyfrowe. W metodzie analogowej pomiar wielkości analogowej
i odpowiadający mu sygnał ma też postać analogową (ciągłą). W metodzie cyfrowej, sygnał
pomiarowy ciągły zamieniony jest na postać dyskretną (impulsy). Zależnie od rodzaju
mierzonych wielkości rozróżniamy pomiary wielkości elektrycznych lub wielkości
nieelektrycznych.

Mierniki

Najczęściej mierzonymi wielkościami elektrycznymi są: napięcie, prąd, rezystancja i moc

elektryczna. Do pomiaru używamy elektryczne przyrządy pomiarowe zwane miernikami.
Ze względu na mierzoną wielkość elektryczną rozróżniamy następujące mierniki:
amperomierz, woltomierz, omomierz, watomierz. Ze względu na rodzaj prądu rozróżniamy
mierniki do pomiaru parametrów prądu stałego, zmiennego lub mierniki uniwersalne,
mierzące oba rodzaje prądów. W praktyce spotyka się mierniki analogowe z odczytem
wskazówkowym oraz mierniki tak zwane cyfrowe z wyświetlaczami cyfrowymi.

Najważniejszym elementem każdego przyrządu pomiarowego jest ustrój pomiarowy,

który przetwarza wielkość mierzoną na sygnał przekazywany do urządzenia odczytowego.
Ustrój pomiarowy może być przetwornikiem elektronicznym lub elektromechanicznym.
Wśród ustrojów elektromechanicznych najczęściej stosowane są: magnetoelektryczne,
elektromagnetyczne, elektrodynamiczne.

W ustroju magnetoelektrycznym wykorzystywane jest zjawisko oddziaływania pola

magnetycznego na cewkę, w której płynie mierzony prąd elektryczny. Ustroje te są stosowane
w woltomierzach i amperomierzach prądu stałego (rys. 34), po dołączeniu prostownika mogą
być wykorzystywane do pomiaru prądów i napięć przemiennych.

Rys. 34. Magnetoelektryczny ustrój pomiarowy: a) zasada działania, b) symbol ustroju [opracowanie własne]

Ustrój elektromagnetyczny zbudowany jest z cewki nieruchomej 1 i ruchomego rdzenia

2 połączonego ze wskazówką 3 (rys. 35). Ustrój elektromagnetyczny stosuje się do pomiaru
prądu przemiennego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

36

Rys. 35. Elektromagnetyczny ustrój pomiarowy: a budowa, b) symbol [opracowanie własne]

Ustrój elektrodynamiczny stosowany jest do pomiaru mocy w watomierzach. Działa

na zasadzie elektrodynamicznego oddziaływania dwóch cewek, przez które przepływają
prądy. Jedna cewka jest nieruchoma, a druga ruchoma połączona ze wskazówką (rys. 36).

a)

b)

Rys. 36. Elektrodynamiczny ustrój pomiarowy: a) zasada budowy, b) symbol [opracowanie własne]

Wielkości charakteryzujące mierniki

Najważniejszymi wielkościami opisującymi dany miernik są rodzaje wielkości

mierzonej: napięcie, prąd, rezystancja, moc. Miernik może być jednozakresowy lub
wielozakresowy. Zakres pomiaru określa przedział wartość wielkości mierzonej przez
miernik z dokładnością wynikającą z klasy.

Liczba nazywana klasą dokładności miernika określa najmniejszy dopuszczalny błąd

względny miernika. Klasa dokładności miernika określa w [%] wielkość błędu, może
ona mieć wartość: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5.

Wynik każdego pomiaru obarczony jest błędem pomiarowym. Rozróżniamy błąd

bezwzględny pomiaru oznaczony symbolem

∆

W oraz błąd względny pomiaru oznaczony

symbolem

δ

. Różnica między wartością wskazaną, a wartością rzeczywistą wielkości

mierzonej nazywa się bezwzględnym błędem pomiaru:

∆

W=W

m

–W

rz

gdzie:

∆

W – błąd bezwzględny,

W

m

– wartość zmierzona,

W

rz

– wartość rzeczywista.

Błąd względny pomiaru jest to wartość błędu bezwzględnego podzielona przez wartość

rzeczywistą mierzonej wielkości.

rz

W

ΔW

δ

=

Często używa się pojęcia błędu procentowego pomiaru

δ

%

:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

37

%

100

W

Δ

δ

rz

%

⋅

=

gdzie:

∆

W – błąd bezwzględny,

%

δ – błąd względny procentowy [%],

W

rz

– wartość rzeczywista.

Mierniki elektroniczne cyfrowe

Cyfrowe mierniki wypierają klasyczne analogowe przyrządy pomiarowe. Coraz częściej

używa się przyrządy z elektronicznymi ustrojami pomiarowymi – multimetry. Za pomocą
multimetru można zmierzyć napięcie stałe i przemienne, prąd stały i przemienny, rezystancję
oraz zbadać elementy półprzewodnikowe – diodę i tranzystor. Najlepszym przykładem
elektronicznego przyrządu pomiarowego jest woltomierz cyfrowy, w którym analogowy
sygnał napięciowy jest przetwarzany na sygnał cyfrowy (rys. 37).

Rys. 37. Schemat blokowy woltomierza cyfrowego [opracowanie własne]

Pomiar napięcia wykonuje się woltomierzem. Woltomierz mierzy różnicę potencjałów

między dwoma punktami. Włączamy go równolegle do odbiornika R

0

. Sposób włączenia

woltomierza pokazano na rysunku 38. Typowy miernik uniwersalny mierzy napięcie
w zakresie 0,5V – 1000V.

Rys. 38. Pomiar napięcia woltomierzem: a) układ z jednym

woltomierzem,

b)

sposób

włączenia

dwóch

woltomierzy [opracowanie własne]

Pomiar natężenia prądu wykonuje się amperomierzem. Amperomierz jest włączony

do obwodu szeregowo z odbiornikiem R

0

. Prąd stały mierzymy amperomierzem

magnetoelektrycznym, a prąd zmienny amperomierzem elektromagnetycznym.

Rys. 39. Pomiar

natężenia

prądu:

a)

układ

z

jednym

amperomierzem, b) układ z trzema amperomierzami
[opracowanie własne]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

38

Pomiary rezystancji wykonuje się metodą bezpośrednią omomierzem (rys. 40a)

lub metodą pośrednią (techniczną) przy pomocy woltomierza i amperomierza (rys. 40b, 40c).
Wybór metody pomiaru ma wpływ na dokładność i zależy od wartości mierzonej rezystancji
R

0

.

Rys. 40.

Pomiar rezystancji: a) omomierzem, b) metodą techniczną dla
małych rezystancji, c) metodą techniczną dla dużych rezystancji
[opracowanie własne]

Pomiar mocy w obwodzie prądu stałego wykonuje się watomierzem (rys. 41a) lub

pośrednio przez pomiar napięcia i prądu płynącego przez odbiornik R

0

(rys. 41b). Watomierz

jest przyrządem pomiarowym, który posiada dwa obwody: prądowy i napięciowy. W układzie
jednofazowym moc czynną mierzy się watomierzem włączonym tak samo jak dla prądu
stałego.

Rys. 41. Pomiar mocy dla małych rezystancji: R

0

a) watomierzem,

b)

woltomierzem

i amperomierzem [opracowanie własne]

4.5.2. Pytania sprawdzające

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

1. Co to jest błąd względny i bezwzględny?
2. Jakie mierniki stosujemy do pomiaru w obwodzie prądu stałego, a jakie do pomiaru

prądu przemiennego?

3. Jak zbudowany jest magnetoelektryczny ustrój pomiarowy, jaki ma symbol?
4. Jak zbudowany jest ustrój elektromagnetyczny, jaki ma symbol?
5. Jakie są klasy dokładności mierników?
6. Jak zbudowany jest ustrój elektrodynamiczny, jaki ma symbol?
7. Do jakich pomiarów może być wykorzystany miernik cyfrowy?
8. Jak włącza się amperomierz i woltomierz w obwód elektryczny?
9. Jakie przyrządy wykorzystujemy do pomiaru mocy?
10. Jak można zmierzyć rezystancję?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

39

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj kilka pomiarów prądów i napięć w połączeniu szeregowym rezystorów. Oblicz

rezystancję zastępczą na podstawie pomiarów i porównaj ją z sumą wartości rezystancji
nastawionych na dekadach oporności.

Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne]

Tabela do ćwiczenia 1

Wartości
nastawiane

Wartości
zmierzone

Wartości obliczone

U

R

1

R

2

I

U

1

U

2

I

U

R

1

01

=

I

U

R

2

02

=

R

Z

= R

1

+R

2

R

0Z

=

R

01

+R

02

V

Ω

Ω

mA

V

V

Ω

Ω

Ω

Ω

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować zapisy instrukcji obsługi zasilacza i multimetrów cyfrowych,
2) połączyć układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem1 przy wyłączonym zasilaniu,
3) ustalić wartości rezystancji R

1

, R

2

jakie będą nastawiane na rezystorach dekadowych,

4) ustalić wartość napięcia zasilania tak, aby prąd I był mniejszy od maksymalnego prądu

dopuszczalnego dla dekady (skorzystać z pomocy nauczyciela),

5) po sprawdzeniu układu przez nauczyciela włączyć zasilanie,
6) zmierzyć prąd I oraz napięcia U

1

, U

2

multimetrami cyfrowymi,

7) zanotować w tabeli wyniki pomiarów dla kolejnych nastaw rezystorów dekadowych,
8) obliczyć rezystancję R

01

, R

02

, na podstawie uzyskanych pomiarów,

9) porównać obliczone wartości rezystancji zastępczych R

Z

, R

0Z,

10) zaproponować sposób obliczania błędów oraz opracować wnioski.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

zasilacz napięcia stałego,

−

dwa rezystory dekadowe,

−

trzy multimetry cyfrowe do pomiaru napięcia i prądu.

Ćwiczenie 2

Wykonaj kilka pomiarów prądów i napięć według poniższego schematu. Oblicz

rezystancję zastępczą R

0Z

i porównaj ją rezystancją zastępczą R

Z

obliczoną na podstawie

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

40

nastaw rezystorów dekadowych. Sprawdź czy suma prądów dopływających do węzła
B równa się prądowi wypływającemu z węzła B, zgodnie z pierwszym prawem Kirchhoffa.

Rys. do ćwiczenia 2 [opracowanie własne]

Tabela do ćwiczenia 2

Wartość
nastawiona

Wartość zmierzona

Wartość obliczona

R R

1

R

2

I

1

I

2

I

U

I

U

R

1

01

=

I

U

R

2

02

=

2

1

2

1

R

R

R

R

R

Z

+

⋅

=

02

1

0

02

01

0

R

R

R

R

R

Z

+

⋅

=

I

1

+I

2

Ω

Ω

Ω

mA mA mA

V

Ω

Ω

Ω

Ω

mA

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować zapisy instrukcji obsługi zasilacza i multimetrów cyfrowych do pomiaru

napięcia i prądu,

2) połączyć układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem 2,
3) ustalić wartość napięcia zasilania,
4) ustalić zakres rezystancji R, R

1

, R

2

,

jakie będą nastawiane na rezystorach dekadowych

tak, aby nie uszkodzić rezystorów dekadowych,

5) po sprawdzaniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
6) zmierzyć prądy I,I

1

, I

2

oraz napięcie U multimetrami cyfrowymi,

7) zanotować w tabeli wyniki pomiarów dla kolejnych pięciu nastaw rezystorów

dekadowych,

8) obliczyć rezystancję R

01

, R

02

na podstawie wyników pomiarów,

9) porównać obliczone rezystancje zastępcze R

Z

, R

0Z

,

10) sprawdzić, czy suma prądów w węźle A równa się prądowi I, zgodnie z prawem

Kirchhoffa,

11) zaproponować sposób obliczania błędów,
12) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

zasilacz napięcia stałego,

−

trzy rezystory dekadowe,

−

cztery multimetry cyfrowe do pomiaru napięcia i prądu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

41

Ćwiczenie 3

Wykonaj kilka pomiarów mocy prądu stałego watomierzem oraz woltomierzem

i amperomierzem. Oblicz moc pobieraną przez odbiornik R

0

na podstawie wskazań

amperomierza i woltomierza. Porównaj moc obliczoną z mocą wskazaną przez watomierz.

Rys. do ćwiczenia 3 [opracowanie własne]

Tabela do ćwiczenia 3

odbiornik

moc zmierzona watomierzem

moc obliczona

R

0

Stała C

W

Liczba
działek D

Moc zmierzona

D

C

P

W

W

⋅

=

U

I

I

U

P

⋅

=

Ω

W/dz

dz

W

V

A

W

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować zapisy instrukcji obsługi zasilacza, watomierza, multimetrów cyfrowych,
2) połączyć układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem3,
3) ustalić wartość napięcia zasilania tak, aby przy minimalnej wartości rezystancji R

0

prąd

nie przekroczył zakresu prądowego watomierza i prądu opornicy suwakowej,

4) ustalić zakres zmian rezystancji R

0

na opornicy suwakowej oraz zakres prądowy

i napięciowy watomierza,

5) po sprawdzeniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
6) zmienić wartość rezystancji R

0

i odczytać kolejne wyniki pomiarów na watomierzu,

woltomierzu i amperomierzu, zanotować wyniki w tabeli,

7) obliczyć stałą watomierza C

W

, moc mierzoną przez watomierz P

W

oraz moc

P na podstawie pomiaru prądu i napięcia,

8) porównać wartość mocy wskazanej przez watomierz z mocą obliczoną

I

U

P

⋅

=

,

9) zaproponować sposób obliczania błędów,
10) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

zasilacz napięcia stałego,

−

dwa multimetry cyfrowe do pomiaru napięcia i prądu,

−

watomierz 100 W,

−

opornica suwakowa 350

Ω

, 0,5 A.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

42

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

zdefiniować błąd i obliczyć błąd bezwzględny i względny pomiaru?





2)

dobrać mierniki do pomiaru prądu i napięcia?





3)

wyjaśnić budowę ustroju pomiarowego magnetoelektrycznego,
elektromagnetycznego, elektrodynamicznego?





4)

wymienić klasy dokładności mierników?





5)

wymienić, jakie pomiary można wykonać multimetrem cyfrowym?





6)

zmierzyć napięcie i prąd w obwodzie prądu stałego?





7)

zmierzyć moc watomierzem?





8)

zmierzyć moc woltomierzem i amperomierzem?





„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

43

4.6. Elementy elektroniczne

4.6.1. Materiał nauczania

Elementy bierne i czynne w elektronice
Elementy elektroniczne można przedstawić w postaci układu elektrycznego, posiadającego
dwa zaciski wejściowe i dwa zaciski wyjściowe. Do zacisków wejściowych dostarczana jest
energia, a zaciski wyjściowe służą do odprowadzania energii. Jeśli energia elektryczna
odprowadzona jest mniejsza niż energia doprowadzona do elementu, to taki element
nazywamy biernym. Typowym elementem biernym jest rezystor. Elementem czynnym
nazywamy taki element, w którym energia elektryczna odprowadzona jest większa od energii
doprowadzonej. Typowym elementem czynnym jest układ z tranzystorem.

Termistory są to rezystory nieliniowe, których rezystancja zależy od temperatury. Przy

wzroście temperatury rezystancja termistora może rosnąć lub maleć (rys. 42a).
Najważniejszymi parametrami termistora są: rezystancja znamionowa, temperaturowy
współczynnik rezystancji. Termistory znajdują zastosowanie do pomiaru temperatury,
w układach stabilizacji temperaturowej, w układach zabezpieczających.

Warystory są to rezystory nieliniowe, których rezystancja R zależy od napięcia

U (rys. 42b). Warystory stosuje się do stabilizacji napięcia oraz w układach automatyki jako
ograniczniki napięcia.

Hallotron jest płytką półprzewodnikową, w której powstaje sygnał napięciowy pod

wpływem pola magnetycznego (rys. 42c). Hallotrony stosuje się do pomiaru natężenia prądu,
drgań mechanicznych i małych przesunięć.

Rys. 42. Elementy bierne: a) symbol i charakterystyka termistora, b) symbol

i charakterystyka

warystora,

c)

symbol

i

charakterystyka

hallotronu

[opracowanie własne]

Diody półprzewodnikowe

W elektronice wyróżnia się następujące diody: prostownicze, Zenera, impulsowe,

pojemnościowe, fotodiody, elektroluminescencyjne.

Dioda prostownicza jest elementem półprzewodnikowym, który stosuje się do zamiany

prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy pulsujący. Dioda ma dwie elektrody: katodę K
i anodę A (rys. 43a). Przez diodę płynie prąd tylko w jednym kierunku, kiedy do anody
przyłożymy wyższy potencjał niż do katody. Podstawowymi parametrami diody
prostowniczej są:
U

(TO) –

napięcie progowe 0,6–0,8 V,

U

(BR)

– napięcie przebicia U

(BR)

>> U

(TO)

,

I

Fmax

– dopuszczalny prąd przewodzenia,

U

Fmax –

dopuszczalne napięcie przewodzenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

44

Rys. 43.

Dioda prostownicza: a) symbol; b) wygląd; c) charakterystyka prądowo–napięciowa
[opracowanie własne]

Dioda Zenera jest diodą stabilizacyjną, pracuje w kierunku zaporowym (rys. 44).

Podstawowym parametrem diody Zenera jest napięcie Zenera U

Z,

maksymalny prąd Zenera

I

Zmax

oraz dopuszczalna moc P

max

. Dioda Zenera wykorzystywana jest do utrzymania stałej

wartości napięcia w stabilizatorach i wzorcach napięcia. Typowym sposobem ograniczania
wartości prądu I

Z

jest włączenie rezystora szeregowo z diodą Zenera.

Rys. 44. Dioda Zenera: a) symbol, b) charakterystyka prądowo–napięciowa[opracowanie własne]

Tranzystor bipolarny jest elementem półprzewodnikowym zbudowanym z trzech warstw

półprzewodnikowych (rys. 45) o różnym rodzaju przewodnictwa. Rozróżniamy tranzystor
typu PNP i typu NPN. Z poszczególnych warstw wyprowadzone są elektrody: B

−

baza,

E

−

emiter, C

−

kolektor.

Rys. 45.

Tranzystor bipolarny – budowa i symbol graficzny tranzystora typu: a) NPN, b) PNP
[opracowanie własne]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

45

Tranzystor służy do wzmacniania słabych sygnałów elektrycznych. Właściwości

wzmacniające tranzystora uzyskujemy przez dołączenie do elektrod B, E, C odpowiednich
napięć zewnętrznych (rys.46). Istotą działania tranzystora jest to, że mały prąd bazy I

B

steruje

dużym prądem kolektora I

C

. Wzmocnieniem prądowym tranzystora

β

(h

21

) określa

się stosunek przyrostu prądu kolektora

∆

I

C

do przyrostu prądu bazy

∆

I

B.

Współczynnik

β

jest

liczbą niemianowaną i może mieć wartość od 50 do 200.

Rys. 46. Zasilanie i polaryzacja tranzystora NPN [opracowanie własne]

Ponieważ tranzystor ma trzy elektrody może pracować w różnych układach połączeń:

w układzie wspólnego emitera WE, wspólnej bazy WB, wspólnego kolektora WC (rys. 47).

Rys. 47. Układy pracy tranzystora: a) WE, b) WB, c) WC [opracowanie własne]

Zachowanie się tranzystora w stanach ustalonych pokazują charakterystyki: wejściowa

I

B

=f(U

BE

) oraz wyjściowa I

C

=f (U

CE

) na rysunku 48.

Rys. 48. Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego: a) wejściowa; b) wyjściowa [opracowanie własne]

W katalogu elementów elektronicznych podawane są parametry graniczne, statyczne

i dynamiczne tranzystorów. Jednym z parametrów granicznych jest moc strat P

STR

,

dopuszczalny prąd kolektora I

Cmax

, i dopuszczalne napięcie U

CEmax

. Ze względu na moc

tranzystory dzielimy na małej mocy, średniej mocy, dużej mocy. Tranzystory dużej mocy
montuje się na radiatorach odprowadzających ciepło. Obudowy tranzystorów mają różne
wykonywana. Wyprowadzenia elektrod określonego tranzystora mogą różne, dlatego należy
je każdorazowo odszukać na rysunku w katalogu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

46

Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym z czterema warstwami PNPN (rys. 49b).

W praktyce tyrystor pełni rolę elektronicznego przełącznika, który przewodzi
lub nie przewodzi prąd. Tyrystor ma trzy elektrody: anodę, katodę, bramkę (rys. 49a). Pracą
tyrystora steruje prąd bramki I

G

(rys. 49c). Przy przepływie prądu bramki tyrystor zachowuje

się podobnie jak dioda prostownicza – przewodzi prąd jednokierunkowo od anody do katody.
Najczęściej tyrystor stosuje się w obwodach prądu przemiennego, wówczas wyłączenie
tyrystora odbywa się automatycznie po zmianie polaryzacji napięcia anodowego. Tyrystor
znajduje zastosowanie w układach prostowników sterowanych, regulatorach prędkości
obrotowej silników, przerywaczach i wyłącznikach. Specjalnym rodzajem tyrystora jest triak,
który przewodzi prąd w obu kierunkach i jest stosowany do regulacji natężenia oświetlenia,
regulacji mocy odbiorników prądu przemiennego.

Rys. 49. Tyrystor: a) symbol, b) budowa, c) charakterystyka prądowo–

napięciowa przy różnych prądach bramki [opracowanie
własne]

Elementy i podzespoły optoelektroniczne są to półprzewodnikowe przetworniki,

w których energia świetlna wpływa na zmianę parametrów elektrycznych (fotodioda)
lub zmiana parametrów elektrycznych powoduje świecenie (dioda LED). Elementy
optoelektroniczne dzielimy na trzy grupy (rys. 50):

−

odbiorniki promieni świetlnych: fotorezystor, fotodioda, fototranzystor,

−

źródła promieni: diody elektroluminescencyjne,

−

transoptory: układy złożone z odbiorników promieni i źródła promieni.

Rys. 50. Symbole graficzne elementów optoelektronicznych: a) fotorezystor, b)

fotodioda, c) fototranzystor, d) dioda LED, e) transoptor [opracowanie
własne]

Rezystancja fotorezystora (rys. 50a) zależy od natężenia oświetlenia, im większe światło

tym mniejszy opór fotorezystora. Parametrem fotorezystora jest rezystancja ciemna
i rezystancja jasna.

Fotodioda (rys. 50b) przewodzi pod wpływem padającego na nią światła. Fotodiodę

polaryzujemy w kierunku zaporowym. Ma ona wszechstronne zastosowanie w pomiarach

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

47

światła, odległości, drgań oraz układach sygnalizacji. Specjalne diody stosuje
się w telekomunikacji.

Fototranzystor (rys. 50c) działa tak jak fotodioda, ale charakteryzuje go większa czułość.

Stosuje się go przetworników analogowo–cyfrowych i układach optoelektronicznych.

Diody elektroluminescencyjne (rys. 50d) zwane diodami LED polaryzuje się w kierunku

przewodzenia. Pod wpływem przepływającego prądu dioda świeci światłem widzialnym
(kolorem

czerwonym,

zielonym,

żółtym,

pomarańczowym,

niebieskim)

lub niewidzialnym (podczerwienią). Diody czerwone świecą przy napięciu 1,5 V, a zielone
3V. Diody LED stosuje się do sygnalizacji świetlnej, we wskaźnikach cyfrowych,
transoptorach, a także w łączach światłowodowych.

Transoptor jest elementem złożonym z nadajnika i odbiornika promieniowania

świetlnego, które są umieszczone we wspólnej obudowie (rys. 50e). Można nim
bezprzewodowo przesyłać informacje pomiędzy nadajnikiem (diodą LED) a odbiornikiem
(fotodiodą). Transoptor zapewnia odseparowanie galwaniczne obwodów nadajnika
i odbiornika.

4.6.2. Pytania sprawdzające

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

1. Jakie elementy w elektronice nazywamy biernymi?
2. Jak działa i jakie podstawowe parametry ma dioda prostownicza?
3. Jakimi parametrami charakteryzuje się dioda Zenera?
4. Jaka jest istota działania tranzystora?
5. Jakie charakterystyki opisują właściwości tranzystora bipolarnego?
6. Jakie znasz układy pracy tranzystora?
7. Jaką rolę w tyrystorze odgrywa bramka G?
8. W jakich układach stosuje się tyrystory?
9. Co to są elementy optoelektroniczne i gdzie je stosujemy?
10. Jakie symbole graficzne mają elementy półprzewodnikowe?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj pomiar prądów i napięć diod w układzie przedstawionym na rysunku

do ćwiczenia 1. Narysuj charakterystyki prądowe–napięciowe diody prostowniczej i diody
Zenera. Odszukaj w katalogu podstawowe parametry badanych diod.

Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

48

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować zapisy instrukcji obsługi zasilacza i multimetrów cyfrowych do pomiaru

napięcia i prądu,

2) odszukać w katalogu lub Internecie parametry badanych diod,
3) połączyć układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem 1a), potem 1b),
4) ustalić wartość maksymalnego napięcia zasilania w kierunku przewodzenia i zaporowym,
5) ustalić z nauczycielem wartość rezystancji R,
6) po sprawdzeniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
7) zmieniać wartość napięcia zasilacza, odczytywać prąd i napięcie na multimetrze

cyfrowym,

8) zaproponować tabelę pomiarów i zanotować wyniki I, U w kierunku przewodzenia

i zaporowym diody,

9) narysować na papierze milimetrowym wykres I=f(U) badanych diod,
10) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

zasilacz napięcia stałego,

−

zestaw diod, rezystor dekadowy,

−

dwa multimetry cyfrowe do pomiaru napięcia i prądu.

Ćwiczenie 2

Wykonaj pomiar prądów i napięć tranzystora bipolarnego w układzie przedstawionym

na rysunku do ćwiczenia2. Narysuj charakterystyki wejściową i wyjściową tranzystora
bipolarnego. Odszukaj w katalogu podstawowe parametry badanego tranzystora.

Rys. do ćwiczenia 2 [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować zapisy instrukcji obsługi zasilacza oraz multimetrów cyfrowych,
2) odszukać parametry tranzystora w katalogu lub Internecie,
3) podłączyć mierniki i zasilacze do gotowego zestawu do badania tranzystora,
4) ustalić z nauczycielem wartość maksymalnego napięcia zasilania,
5) zaproponować tabele do wpisywania wyników pomiarów,
6) po sprawdzeniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
7) regulować wartość napięcia U

BE

i odczytywać prąd I

B

przy ustalonym wcześniej napięciu

U

CE

=const, zanotować w tabeli wyniki pomiarów, narysować wykres I

B

=f(U

BE

),

8) regulować wartość napięcia U

CE

i odczytywać prąd I

C

przy ustalonym wcześniej prądzie

I

B

=const, zanotować w tabeli wyniki pomiarów, narysować wykres I

C

=f(U

CE

),

9) porównać wykresy z danymi katalogowymi,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

49

10) opracować wnioski oraz zaprezentować wyniki pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

dwa regulowane zasilacze napięcia stałego,

−

zestaw do badania tranzystora,

−

cztery multimetry cyfrowe do pomiaru napięcia i prądu.

Ćwiczenie 3

Wykonaj pomiar prądów transoptora w układzie przedstawionym na rysunku 3. Narysuj

charakterystykę I

WY

=F(I

WE

). Oblicz przekładnię prądową CTR= I

WY

/I

WE

.

Rys. do ćwiczenia 3 [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować zapisy instrukcji obsługi zasilacza oraz multimetrów cyfrowych,
2) połączyć układ według rysunku do ćwiczenia 3,
3) ustalić wartości graniczne zasilania po stronie wejścia i wyjścia,
4) po sprawdzeniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
5) regulować wartość prądu I

WE

i odczytywać wartość prądu I

WY

, zanotować wyniki

pomiaru, narysować wykres I

WY

=F(I

WE

),

6) powtórzyć pomiary dla innego typu transoptora,
7) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

dwa regulowane zasilacze napięcia i prądu,

−

zestaw do badania transoptora,

−

dwa multimetry cyfrowe.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

narysować symbole elementów półprzewodnikowych?





2)

narysować

charakterystyki

prądowo–napięciowe

diod,

tranzystora,

tyrystora?





3)

scharakteryzować elementy bierne stosowane w elektronice?





4)

scharakteryzować istotę działania diody prostowniczej, diody Zenera,
tranzystora i tyrystora?





5)

wymienić podstawowe parametry diod i tranzystora bipolarnego?





6)

wymienić i opisać elementy optoelektroniczne?





7)

wyznaczyć

charakterystyki

wejściową

i

przejściową

tranzystora

bipolarnego na podstawie pomiarów?





8)

wyznaczyć charakterystykę prądowo–napięciową diod?





„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

50

4.7. Układy elektroniczne

4.7.1. Materiał nauczania

Do budowy układów elektronicznych wykorzystuje się elementy elektroniczne (diody,

tranzystory, tyrystory) oraz rezystory, kondensatory, cewki i transformatory. Rozróżniamy
dwa rodzaje układów elektronicznych: analogowe i cyfrowe. Przykładem układów
analogowych są: prostowniki, wzmacniacze, stabilizatory, generatory. Układy cyfrowe
to bramki, przerzutniki, liczniki i rejestry. Zarówno układy analogowe jak i cyfrowe mogą
być wykonane z elementów elektronicznych, zamontowanych na płytce drukowanej lub mogą
mieć postać układu scalonego. Układy scalone mogą być wykonane z różnym stopniem
scalenia od 100 do 100000 elementów w jednym układzie scalonym.

Zasilacz sieciowy dostarcza prąd stały, o stałej wartości napięcia. Ma zastosowanie

w różnych urządzeniach elektronicznych. Jest zbudowany z transformatora, prostownika,
filtru, stabilizatora i zabezpieczenia przeciążeniowego (rys. 51). Transformator obniża
napięcie sieciowe. Prostownik zamienia prąd przemienny dwukierunkowy na prąd
jednokierunkowy. Filtr wygładza napięcie wyjściowe. Stabilizator utrzymuje stałą wartość
napięcia na odbiorniku mimo zmian (w pewnych granicach) napięcia sieciowego i rezystancji.

Rys. 51. Schemat funkcjonalny zasilacza sieciowego [opracowanie własne]

Prostowniki

Wśród prostowników możemy wyróżnić prostowniki jednofazowe: półokresowe (jedna

dioda – rys. 52) i pełnookresowe (mostek Graetza – rys. 53). W prostowniku półokresowym
dioda przewodzi prąd jedynie podczas dodatnich połówek przebiegu napięcia przemiennego.
Prostownik ten ma bardzo duże tętnienia i praktycznie nie jest stosowany.

Rys. 52.

Prostownik półokresowy: a) budowa; b) przebiegi
napięcia sieciowego i wyjściowego [opracowanie
własne]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

51

Rys. 53. Prostownik pełnookresowy: a) budowa, b) napięcie sieciowe, c) napięcie

wyjściowe na odbiorniku Ro, d) napięcie wyjściowe po dołączeniu kondensatora
C [opracowanie własne]

Prostownik pełnookresowy zwany mostkiem Graetza jest zbudowany z czterech diod

prostowniczych (rys. 53). Dla dodatniej połówki napięcia przewodzą diody D

1

i D

2

, a dla

ujemnej połówki napięcia

−

diody D

3

i D

4

. Kondensator dołączony do odbiornika R

0

wygładza napięcie wyprostowane zmniejszając tętnienia.

Prostownik sterowany jest układem, w którym można regulować napięcie i prąd

wyprostowany poprzez regulację kąta załączenia tyrystora. Zmiany kąta załączenia tyrystora
dokonuje się za pomocą specjalnych układów sterujących prądem bramki tyrystora
I

G

(rys. 54). Prostowniki sterowane są stosowane w układach automatyki np. do regulacji

prędkości obrotowej silników.

Rys. 54.

Prostownik sterowany: a) budowa, b) napięcie zasilania, c)
impulsy sterujące I

G

, d) napięcie na odbiorniku

[opracowanie własne]

Stabilizatory mogą być napięciowe lub prądowe. Stabilizator napięcia służy

do utrzymania stałej wartości napięcia wyjściowego U

2

przy zmieniającym się napięciu

zasilania U

1

lub zmiennej rezystancji obciążenia R

0

. W najprostszym stabilizatorze

wykorzystuje się diodę Zenera (rys. 55). Napięcie na diodzie jest takie samo jak na rezystorze
R

0

. Diodę Zenera włącza się w kierunku zaporowym. Mimo zmian prądu I

2

(w pewnych

granicach) dioda utrzymuje stałe napięcie U

Z

=U

2

. Stabilizatory prądowe służą do utrzymania

prądu na stałym poziomie niezależnie od obciążenia R

0

. Ze względu na sposób stabilizacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

52

rozróżniamy stabilizatory o działaniu ciągłym i impulsowym. Producenci układów
elektronicznych wykonują stabilizatory scalone, o napięciu wyjściowym od 5 V do 24 V.

Rys. 55.

Stabilizator napięcia z diodą Zenera: a) budowa, b) napięcie
wyjściowe, U

2

=f(U

1

), c) napięcie wyjściowe U

2

=f(Ro) [opracowanie

własne]

Wzmacniacze

Wzmacniacz wzmacnia energię sygnału wejściowego korzystając z dodatkowej energii

źródła zasilania. Źródłem sygnału wzmacnianego może być np. mikrofon, a odbiornikiem
głośnik (rys.56a). Współczynnik wzmocnienia napięciowego wzmacniacza k

u

określony jest

wzorem:

1

2

u

U

U

k

=

, współczynnik wzmocnienia prądowego

1

2

i

I

I

k

=

, współczynnik

wzmocnienia mocy

i

u

p

k

k

k

⋅

=

. Wzmacniacze elektroniczne dzielimy na wzmacniacze

napięcia, wzmacniacze prądu, wzmacniacze mocy. Ze względu na rodzaj sygnału:
rozróżniamy wzmacniacze prądu stałego i wzmacniacze prądu przemiennego. Ze względu
na pasmo częstotliwości na: wzmacniacze dzielimy na wąskopasmowe i szerokopasmowe.

Rys. 56. Wzmacniacz: a) schemat funkcjonalny, b) charakterystyka przenoszenia [opracowanie własne]

Przykładem wzmacniacza sygnałów małej częstotliwości m.cz. jest układ wspólnego

emitera WE (rys. 57). Parametry tego wzmacniacza są następujące:

−

współczynnik wzmocnienia prądowego

−

duży,

−

współczynnik wzmocnienia napięciowego

−

duży,

−

współczynnik wzmocnienia mocy

−

duży.

Innym rodzajem wzmacniacza napięcia zmiennego może być układ wspólnego

kolektora WC i wspólnej bazy WB. Wzmacniacze mogą też być wielostopniowe, wtedy
całkowite wzmocnienie jest iloczynem wzmocnień poszczególnych stopni.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

53

Rys. 57. Wzmacniacz napięcia zmiennego w układzie wspólnego emitera [opracowanie własne]

Wzmacniacz różnicowy jest przykładem wzmacniacza napięcia stałego i zmiennego

(rys. 58). Wykorzystuje się go w automatyce i technice pomiarowej. Wzmacniacz różnicowy
symetryczny wykorzystuje dwa wejścia WE

1

i WE

2

i jedno wyście między kolektorami

tranzystora T

1

i T

2

. Wzmacniacz ten wzmacnia różnicę sygnałów wejściowych

∆

U=U

2

–U

1

.

Rys. 58. Wzmacniacz różnicowy symetryczny [opracowanie własne]

Przeciwsobny wzmacniacz mocy dostarcza do odbiornika sygnały dużej mocy i jest

stosowany w stopniach końcowych wzmacniaczy małej częstotliwości oraz urządzeniach
nadawczych. Ma dużą sprawność i małe zniekształcenia. W układzie przeciwsobnym pracują
dwa tranzystory: typu NPN i PNP (para komplementarna). Tranzystor T

1

wzmacnia dodatnią

połówkę napięcia wejściowego, a tranzystor T

2

ujemną (rys. 59).

Rys. 59. Przeciwsobny wzmacniacz mocy [opracowanie własne]

Wzmacniacze operacyjne są układami scalonymi o wszechstronnym zastosowaniu. Mogą

wzmacniać napięcia stałe i zmienne. Stosowane są w technice analogowej jako wzmacniacze

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

54

małej częstotliwości, układy sumujące oraz w technice cyfrowej w układach przetwarzających
sygnały analogowe na cyfrowe i odwrotnie. Wzmacniacz operacyjny charakteryzuje: bardzo
duże wzmocnienie napięciowe, bardzo szerokie pasmo przenoszenia częstotliwości, bardzo
duża rezystancja wejściowa i mała rezystancja wyjściowa. Na rysunku 60a) przedstawiono
symbol wzmacniacza: minusem oznaczono wejście odwracające WE

1

, plusem wejście

nieodwracające WE

2

. Przykładem zastosowania wzmacniacza operacyjnego jest wzmacniacz

odwracający fazę (rys. 60b), którego wzmocnienie napięciowe obliczamy z wzoru:

1

2

u

R

R

k

−

=

.

Rys. 60. Wzmacniacz operacyjny: a) symbol, b) układ odwracający fazę [opracowanie własne]

Generatory elektroniczne wytwarzają sygnały elektryczne o określonym kształcie:

sinusoidy, prostokąta, trójkąta. Generator wytwarza sygnały o określonej częstotliwości
lub może być przestrajany na inną częstotliwość. Najczęściej stosowane są generatory
przebiegów sinusoidalnych, prostokątnych i piłokształtnych. Podstawowym parametrem
generatora jest częstotliwość, kształt i moc generowanych sygnałów. Przykładem generatora
drgań sinusoidalnych jest układ Meissnera, Colpittsa i generator RC z mostkiem Wiena
(rys. 61a). Do generowania drgań prostokątnych wykorzystuje się układy zwane
przerzutnikami. Najważniejszy z nich to przerzutnik astabilny (rys. 61b) generujący
samoczynnie ciąg impulsów.

Rys. 61. Generatory: a) RC z mostkiem Wiena, b) przerzutnik astabilny [opracowanie własne]

4.7.2. Pytania sprawdzające

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

1. Z jakich elementów zbudowany jest zasilacz i jaka jest jego rola w układzie?
2. Jak są zbudowane prostowniki: półokresowy, pełnookresowy i sterowany?
3. Jak zmniejszamy tętnienia w układach prostowników?
4. Jaka jest rola stabilizatora napięcia?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

55

5. Jakie są rodzaje wzmacniaczy i jakie parametry charakteryzują wzmacniacz?
6. Jak są zbudowane wzmacniacze: napięcia zmiennego, różnicowy i mocy?
7. Czym charakteryzuje się wzmacniacz operacyjny?
8. Jakie są rodzaje generatorów i ich przebiegi?

4.7.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj

badanie

przebiegów

wyjściowych

prostownika

półokresowego

i pełnookresowego bez filtru pojemnościowego i z filtrem pojemnościowym. Narysuj na
papierze milimetrowym przebiegi napięć w funkcji czasu. Przeanalizuj wpływ pojemności C
na wartość średnią napięcia wyjściowego.

Rys.

do ćwiczenia 1: a) układ pomiarowy, b) prostownik
półokresowy, c) prostownik pełnookresowy [opracowanie
własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować zapisy instrukcji obsługi urządzeń elektrycznych na stanowisku

pomiarowym,

2) połączyć układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem 1,
3) ustalić z nauczycielem wartość rezystancji R

0

i pojemności C,

4) po sprawdzeniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
5) obserwować przebiegi na oscyloskopie, przerysować je na papier milimetrowy,
6) zaplanować tabelę pomiarów dla wszystkich możliwych przypadków pomiaru,
7) zanotować wartości napięcia średniego zmierzone multimetrem cyfrowym dla obu

prostowników, bez kondensatora i z kondensatorem,

8) zaznaczyć wartość średnią napięcia zmierzonego multimetrem na wykresie czasowym

przerysowanym z oscyloskopu,

9) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

transformator lub generator przebiegów sinusoidalnych,

−

multimetr cyfrowy, oscyloskop,

−

rezystor dekadowy, zestaw prostowników i kondensatorów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

56

Ćwiczenie 2

Wykonaj badanie stabilizatora z diodą Zenera i stabilizatora scalonego. Narysuj

charakterystyki napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego oraz w funkcji
rezystancji obciążenia R

0

. Odszukaj w katalogu parametry badanego stabilizatora scalonego

i diody Zenera.

Rys. do ćwiczenia 2 a) układ pomiarowy z diodą Zenera b) układ

pomiarowy ze stabilizatorem scalonym [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) odszukać w katalogu lub Internecie podstawowe parametry badanej diody Zenera

i stabilizatora scalonego, zaproponować tabelę pomiarów,

2) ustalić z nauczycielem wartość rezystancji dekady Rs i R

0

oraz zakres regulacji napięcia

wejściowego U

1

dla każdego badanego układu,

3) połączyć układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem 2a),
4) po sprawdzeniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
5) zmierzyć wartość napięcia wyjściowego U

2

, bez obciążenia R

0

, przy zmianach napięcia

wejściowego U

1

od 0 V do Umax (wcześniej ustalonego), zanotować wyniki pomiaru

w tabeli, wykonać wykres U

2

=f(U

1

),

6) zmierzyć wartość napięcia wyjściowego U

2

(przy ustalonym wcześniej napięciu U

1

)

podczas kolejnych zmian rezystancji R

0

od R

0

=10

Ω

do R=10000

Ω

, zanotować wyniki

pomiarów w tabeli, wykonać wykres U

2

=f(R

0

),

7) podobne pomiary wykonać dla stabilizatora scalonego rys. 2b),
8) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

zasilacz napięcia stałego,

−

dwa multimetry cyfrowe, dekada rezystancji,

−

zestaw diod stabilizacyjnych i układów scalonych.

Ćwiczenie 3

Wykonaj badanie wzmacniacza napięciowego. Narysuj charakterystykę k

U

=F(f), wyznacz

pasmo przenoszenia.

Rys. do ćwiczenia 3 [opracowanie własne]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

57

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) ustalić z nauczycielem wartość napięcia wejściowego U

1

nastawianego na generatorze

oraz wartość rezystancji Ro, zaproponować tabelę pomiarów,

2) połączyć układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem do ćwiczenia 3,
3) po sprawdzeniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
4) zmierzyć oscyloskopem, ustaloną wcześniej, wartość amplitudy napięcia wejściowego

U

M1

, zanotować wynik w tabeli, który będzie stały dla wszystkich pomiarów,

5) ustawić częstotliwość sygnału z generatora (od 20 Hz do 30 kHz) i zmierzyć

oscyloskopem wartość amplitudy napięcia wyjściowego U

m2

dla danej częstotliwości,

zanotować wyniki pomiarów w tabeli,

6) obliczyć współczynnik wzmocnienia napięciowego ku=U

m2

/U

m1

dla danej częstotliwości,

7) narysować charakterystykę ku w funkcji częstotliwości (f),
8) powtórzyć pomiary dla innej wartości rezystancji R

0

(ustalić z nauczycielem),

9) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

generator przebiegów sinusoidalnych, oscyloskop,

−

gotowy zestaw wzmacniacza napięciowego, dekada oporności.

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

scharakteryzować budowę zasilacza i rolę jego elementów?





2)

narysować

przykładowe

schematy

prostowników,

wzmacniaczy

i generatorów?





3)

narysować przebiegi czasowe napięć w układach prostowników ?





4)

zdefiniować rolę stabilizatora w oparciu o wykresy?





5)

wymienić parametry poznanych wzmacniaczy?





6)

wyjaśnić pojęcie pasma przenoszenia w oparciu o wykres?





7)

zbadać przebiegi wyjściowe prostowników i wzmacniaczy za pomocą
oscyloskopu?





8)

wyznaczyć charakterystyki stabilizatora i wzmacniacza?





„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

58

4.8.

Elektryczne urządzenia wykonawcze w automatyce oraz

zabezpieczenia

instalacji

elektrycznych

i

układów

elektronicznych

4.8.1. Materiał nauczania

W automatyce wyróżnia się następujące rodzaje urządzeń: czujniki i przetworniki

pomiarowe, elementy wykonawcze, elementy nastawcze i przełączające, elementy sterujące.
Elementy wykonawcze to głównie silniki elektryczne małej mocy, pełniące rolę napędów
w urządzeniach powszechnego użytku, w samochodach i obrabiarkach. Najczęściej używa
się silnik dwufazowy lub silnik prądu stałego. Elektrycznymi elementami przełączającymi
są łączniki

elektryczne

stykowe

i

bezstykowe

(półprzewodnikowe)

zamykające

lub otwierające obwody elektryczne. Do łączników sterowniczych zalicza się też przekaźniki
i styczniki. Grupę elementów nastawczych tworzą potencjometry, transformatory,
oraz prostowniki sterowane. Elementami sterującymi pracą układów automatyki są sterowniki
elektromechaniczne i sterowniki mikroprocesorowe.

Silniki prądu stałego są najczęściej maszynami samowzbudnymi. Ze względu na sposób

połączenia uzwojenia wzbudzenia z obwodem twornika rozróżniamy silniki: bocznikowe,
szeregowe, szeregowo–bocznikowe (rys.62)

Rys. 62.

Silniki prądu stałego: a) bocznikowy, b)
szeregowy,

c)

szeregowobocznikowy

[opracowanie własne]

W silnikach prądu stałego podczas rozruchu prąd może być kilka razy większy

od maksymalnego, dlatego w obwód wirnika włącza się szeregowo rezystor rozruchowy,
który zmniejsza prąd rozruchu do wartości prądu znamionowego. Po osiągnięciu przez silnik
prędkości maksymalnej, rezystancję rozruchu zmniejsza się do zera. Prędkość obrotowa
silników prądu stałego zależy głównie od napięcia zasilającego uzwojenie wirnika,
od rezystancji uzwojenia wirnika, od prądu płynącego w wirniku oraz od strumienia
magnetycznego wytworzonego w stojanie.

Φ

⋅

⋅

−

=

C

I

R

U

n

gdzie:
n

– prędkość obrotu [1/s],

U – napięcie zasilania [V],
R – rezystancja uzwojenia wirnika [

Ω

],

I

– prąd wirnika [A],

Φ

– strumień magnetyczny stojana [Wb],

C – stała.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

59

Silnik szeregowy w chwili załączenia musi być sprzęgnięty z urządzeniem napędzanym.

Silnik szeregowy charakteryzuje duży moment rozruchowy, dlatego stosuje się go
w pojazdach trakcji szynowej oraz w rozrusznikach silnika samochodowego. Silnik
bocznikowy używa się tam, gdzie prędkość wirowania powinna być stała mimo zmian
obciążenia. Silnik szeregowo–bocznikowy łączy zalety silnika bocznikowego i szeregowego.
Prędkość kątową

ω

silnika szeregowego można regulować napięciem U twornika

jak na rysunku 63, gdzie układ prostownika tyrystorowego zmienia wartość średnią napięcia.

Rys. 63.

Regulacja prędkości obrotowej silnika szeregowego: a) układ zasilania silnika,
b) wykres prędkości kątowej w funkcji napięcia twornika [opracowanie
własne]

W urządzeniach automatyki stosuje się silniki

dwufazowe wykonawcze, których

prędkość kątowa zależy od napięcia sterującego. Dwufazowy silnik ma dwa nieruchome
uzwojenia stojana przesunięte względem siebie o kąt 90 stopni oraz wirnik w postaci klatki
lub kubka (rys. 64a).

Rys. 64. Silnik indukcyjny dwufazowy z wirnikiem

kubkowym: a) przekrój, b) charakterystyka
sterowania [opracowanie własne]

Na rysunku 65 przedstawiono silnik dwufazowy, zasilany napięciem jednofazowym

w układzie sterowania amplitudowo–fazowym. Jedno uzwojenie wzbudzenia UW jest
zasilane napięciem o stałej wartości, a drugie uzwojenie sterujące US jest zasilane napięciem
regulowanym potencjometrem P.

Rys. 65. Sterowanie amplitudowo fazowe silnikiem dwufazowym [opracowanie własne]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

60

Elementy stykowe urządzeń elektrycznych i elektronicznych służą do załączania

lub wyłączania obwodów elektrycznych przez mechaniczne zwieranie lub rozwieranie dwóch
styków. Elementy stykowe zapobiegają iskrzeniu styków i zapewniają małą rezystancję
przejścia. W instalacjach niskiego napięcia stosuje się następujące rodzaje łączników:
wtyczkowe, instalacyjne, drążkowe, warstwowe. Do grupy łączników elektromagnetycznych
zalicza się przekaźniki i styczniki. Osobną grupę łączników tworzą bezpieczniki: topikowe
i bimetalowe. Łączniki wtyczkowe służą do połączenia wtyczki z gniazdkiem tylko wtedy,
gdy urządzenie ma wyłącznik w pozycji wyłączonej. Łączniki instalacyjne wykonane są
w wersjach do instalowania w puszkach podtynkowych i natynkowych. Łączniki warstwowe
stosuje się do załączania silników lub do przełączania układów trójfazowych. Łączniki
drążkowe wykorzystuje się w instalacjach przemysłowych do załączania dużych prądów.

Przekaźnikiem nazywamy urządzenie załączające obwody elektryczne pod wpływem

sygnału sterującego. Przekaźniki mogą być elektromechaniczne lub bezstykowe. Przekaźniki
elektromechaniczne łączą obwody elektryczne za pomocą zespołu styków ruchomych
poruszanych przez elektromagnes. Przekaźniki bezstykowe łączą obwody bez udziału
elementów ruchomych. Połączenia w tych przekaźnikach dokonuje się przez zmianę
oporności tranzystora lub tyrystora.

Rys. 66.

Budowa przekaźnika prądu przemiennego: 1 – cewka
elektromagnesu, 2 – rdzeń elektromagnesu, 3 – zestyk
bierny (rozwierny), 4 – zestyk czynny (zwierny), 5 –
kotwica [opracowanie własne]

Styczniki są to łączniki charakteryzujące się dużą ilością łączeń, stosowane dla dużych

prądów w obwodach silników. Przykładowym układem stycznikowym jest układ zmiany
kierunku wirowania silnika lub układ automatycznego przełącznika gwiazda

−

trójkąt.

Na rysunku 67 przedstawiono schemat elektryczny załączania silnika za pomocą stycznika
z elementem termobimetalowym.

Rys. 67. Schemat elektryczny sterowania silnikiem trójfazowym za pomocą stycznika [opracowanie własne]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

61

Załączenie stycznika odbywa się przez wciśnięcie przycisku 7. Następuje wtedy

zamknięcie zestyków głównych 2 oraz zestyku pomocniczego 6, który podtrzymuje napęd
elektromagnetyczny 4, po zwolnieniu przycisku 7. Wyłączenie stycznika i jednocześnie
silnika 9 następuje w przypadku zadziałania przekaźnika termobimetalowego 3 i tym samym
rozwarcia zestyku biernego 5 lub, po naciśnięciu przycisku 8. Bezpieczniki 1 zabezpieczają
układ przed przeciążeniem. lub zwarciem.

Bezpiecznik

termobimetalowy–automatyczny

służy

do

wyłączania

prądów

przeciążeniowych lub zwarciowych. Wyłączniki nadprądowe mogą mieć następujące prądy
znamionowe: 0,3 A; 0,5 A; 1 A; 2 A; 3 A; 4 A; 6 A; 10 A; 16 A; 20 A; 25 A; 32 A.
Do zabezpieczenia urządzeń elektronicznych stosuje się głównie bezpieczniki topikowe. Mają
one drut wykonany z metalu, który po przekroczeniu prądu o natężeniu znamionowym
nagrzewa się i topi. W instalacjach domowych bezpiecznik topikowy

ma wkładki 6 A, 10 A,

16 A, 20 A, 25 A. Bezpiecznik po przepaleniu należy wymienić na nowy, niedopuszczalne
jest naprawianie wkładek topikowych. Niekiedy do zabezpieczenia układów elektronicznych
stosuje się bezpieczniki półprzewodnikowe wykonane na bazie tranzystorów lub tyrystorów.
Obecnie w nowobudowanych instalacjach urządzeniami wyłączającymi obwód, oprócz
bezpieczników, są wyłączniki różnicowo–prądowe. Zasadę działania wyłącznika różnicowo–
prądowego przedstawiono na rysunku nr 68. Przez rdzeń przetwornika sumacyjnego
5 przechodzą przewody L

1

, L

2

, L

3

, N. Wyzwalacz nadprądowy 3,4 rozwiera zestyki 1, gdy na

skutek uszkodzenia odbiornika zacznie płynąć do ziemi prąd upływu np. 10 mA. Załącznik 2
służy do testowania wyłącznika różnicowo–prądowego.

Rys. 68. Wyłącznik różnicowo–prądowy [opracowanie własne]

W piezoelektryku występuje zjawisko piezoelektryczne polegające na tym, że pod

wpływem odkształcenia mechanicznego piezoelektryk staje się źródłem pola elektrycznego
(napięcia).Ten efekt wykorzystywany jest w zapalnikach w układach automatyki sterujących
piecami gazowymi. Występuje też zjawisko odwrotne – zewnętrzne pole elektryczne
przyłożone do piezoelektryka wywołuje odkształcenie mechaniczne. Pod wpływem
zmiennego napięcia doprowadzonego do płytki piezoelektryka wpada on w rezonans
mechaniczny. Taki rezonator piezoelektryczny wykorzystywany jest w generatorach do
stabilizacji częstotliwości oraz w filtrach obwodów rezonansowych.

4.8.2. Pytania sprawdzające

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

1. Jakie rodzaje urządzeń wykonawczych stosuje się w automatyce?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

62

2. Jak łączy się uzwojenia wzbudzenia w silnikach prądu stałego?
3. Od czego zależy prędkość silnika prądu stałego?
4. Jak zbudowany jest silnik klatkowy?
5. Jakie są rodzaje łączników występujących w układach automatyki?
6. Do czego służy stycznik i wyłącznik różnicowo–prądowy?
7. Z jakich elementów składa się przekaźnik?
8. Jak zabezpieczamy instalacje elektryczne i urządzenia elektroniczne?
9. Jakie są rodzaje bezpieczników?
10. Do czego służy piezoelektryk?

4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przeanalizuj budowę bezpiecznika (wyłącznika) elektromagnetycznego. Opisz jego

działanie, wykonaj pomiar czasu wyłączenia w funkcji prądu I

b

.

Rys.

do ćwiczenia 1 a) budowa bezpiecznika elektromagnetycznego
b) schemat do pomiaru prądu i czasu wyłączenia bezpiecznika
[opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować budowę bezpiecznika elektromagnetycznego po rozmontowaniu obudowy,
2) obserwować działanie zapadki przy włączaniu i wyłączaniu,
3) zamontować z powrotem obudowę bezpiecznika,
4) zmontować układ pomiarowy według rysunku 1b),
5) ustalić z nauczycielem wartość regulowanej rezystancji dla prądu 1,2 oraz 2 razy

większego od znamionowego prądu bezpiecznika,

6) po sprawdzeniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
7) zmierzyć czas wyłączania bezpiecznika dla prądu

b

I

1,2

⋅

,

b

I

2

⋅

,

8) zanotować prąd i czas, przeanalizować ich zależność,
9) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

amperomierz elektromagnetyczny,

−

opornica suwakowa,

−

zestaw obudowanego bezpiecznika elektromagnetycznego,

−

przyrząd do pomiaru czasu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

63

Ćwiczenie 2

Przeanalizuj budowę stycznika, narysuj jego schemat i odszukaj dane katalogowe.

Obserwuj układ sterowania silnikiem trójfazowym za pomocą stycznika.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) narysować schemat ideowy stycznika,
2) rozmontować stycznik i jego zestyki główne i pomocnicze,
3) odszukać dane katalogowe badanego typu stycznika,
4) narysować układ sterowania silnikiem trójfazowym za pomocą stycznika i dwóch

przycisków,

5) po sprawdzeniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
6) obserwować pracę dowolnego gotowego układu sterowania silnikiem trójfazowym (pod

nadzorem nauczyciela),

7) opisać zalety stycznika,
8) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

stycznik trójfazowy suchy,

−

katalog elementów i urządzeń,

−

gotowy układ sterowania silnikiem za pomocą stycznika.

Ćwiczenie 3

Przeanalizuj budowę i zasadę działania przekaźnika termobimetalowego, zmierz czas

wyłączenia stycznika przez przekaźnik termobimetalowy.

Rys.

do ćwiczenia 3 układ do pomiaru czasu wyłączania stycznika przez przekaźnik
termobimetalowy [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować budowę i zasadę działania przekaźnika termobimetalowego,
2) zmontować układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem do ćwiczenia 3,
3) ustalić z nauczycielem wartość rezystancji R dla prądu I płynącego przez zestyki s1

stycznika S i przekaźnik termobimetalowy PT tak, aby wartość prądu była równa
I=

n

I

1,2

⋅

,

4) po sprawdzeniu połączeń przez nauczyciela włączyć napięcie zasilania,
5) załączyć stycznik i nastawić wartość prądu I=

n

I

1,2

⋅

za pomocą rezystora,

6) wyłączyć stycznik wyłącznikiem W,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

64

7) załączyć ponownie stycznik dla nastawionej rezystancji R i zmierzyć czas, po którym

zestyk bierny pt przekaźnika termobimetalowego PT wyłączy stycznik S,

8) powtórzyć pomiar dla prądu I=

n

I

2

⋅

, zanotować wyniki,

9) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

amperomierz elektromagnetyczny,

−

opornica suwakowa,

−

zestaw stycznika do badania termobimetalu,

−

przyrząd do pomiaru czasu.

4.8.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

wymienić

rodzaje

urządzeń

wykonawczych

stosowanych

w automatyce?





2)

wyjaśnić, od czego zależy prędkość kątowa silnika prądu stałego?





3)

opisać budowę silnika klatkowego?





4)

wymienić rodzaje łączników występujących w automatyce?





5)

wyjaśnić, do czego służy przekaźnik i stycznik?





6)

wyjaśnić, jakie rodzaje zabezpieczeń stosuje się w instalacjach
elektrycznych i urządzeniach elektronicznych?





7)

sprawdzić zabezpieczenie instalacji i urządzeń elektronicznych?





8)

zbadać podstawowe właściwości elementów termobimetalicznych?





„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

65

4.9. Podstawy techniki cyfrowej i wykorzystanie komputera

4.9.1. Materiał nauczania

System dwójkowy

Działanie układów cyfrowych opiera się na wykorzystaniu dwójkowego systemu liczenia

(binarnego), w którym są tylko dwie cyfry 0 i 1. Każda liczba w systemie dwójkowym ma
odpowiednik w systemie dziesiętnym i odwrotnie (tabela nr 1).

Tabela. 1. Liczby binarne [opracowanie własne]

Liczba
dziesiętna

Liczba
binarna

Liczba
dziesiętna

Liczba
binarna

0
1
2
3
4
5
6
7

0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111

8
9
10
11
12
13
14
15

1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111

Na liczbach dwójkowych, podobnie jak w systemie dziesiętnym, dokonujemy operacji

działań matematycznych. Poniżej przedstawiono przykład najprostszego dodawania
oraz mnożenia dwóch liczb binarnych. W systemie dwójkowym liczba 10, po rozwinięciu
w szereg potęgowy dwójki, oznacza

0

1

2

0

2

1

⋅

+

⋅

.

Zasada dodawania liczb binarnych:
0+0=0
0+1=1
1+0=1
1+1=10

Zasada mnożenia liczb binarnych:

0

0

0

=

⋅

0

1

0

=

⋅

1

1

1

=

⋅

Klasyfikacja układów cyfrowych

Układy cyfrowe dzieli się na dwie grupy: kombinacyjne i sekwencyjne. Układem

kombinacyjnym nazywamy układ, którego stan wyjść zależy od stanu wejść w danym
momencie. Dany stan wyjściowy układu kombinacyjnego nie zależy od stanu poprzedniego.
Przykładem układów kombinacyjnych są bramki logiczne, kodery, dekodery, multipleksery
i demultipleksery. Układem sekwencyjnym nazywamy układ, w którym stan wyjść zależy od
stanu wejść w momencie poprzedzającym stan aktualny. Przykładem układów sekwencyjnych
są przerzutniki asynchroniczne (bez zegara) i synchroniczne (z zegarem) oraz rejestry
i liczniki.
Bramki logiczne

Układami logicznymi binarnymi nazywamy układy, w których sygnały wejściowe

i wyjściowe mogą przyjmować dwa stany napięcia: wysoki lub niski. Zero logiczne może
odpowiadać pojęciu wyłączony lub stan niski napięcia, a jedynka logiczna – włączony
lub stan wysoki napięcia. Układy logiczne buduje się z elementów logicznych takich jak suma
logiczna, iloczyn logiczny, negator. Elementy realizujące sumę, iloczyn i negację nazywamy
bramkami logicznymi. Nazwy bramek pochodzą od nazw funkcji w języku angielskim:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

66

OR, NOT, AND, NOR, NAND. Każdej bramce przypisany jest symbol i zapis symboliczny
funkcji (tabela 2). Bramki logiczne są wykonane w postaci układów scalonych.
Najpopularniejsze są układy wykonane w technologii TTL. Dla każdej bramki można zapisać
tabelę prawdy i narysować schemat przekaźnikowy realizujący daną funkcję.

Na rysunku nr 69 pokazano bramkę OR, która wykonuje sumowanie logiczne. Polega

ono na tym, że na wyjściu bramki OR pojawia się sygnał o wartości 1, gdy na dowolnym
wejściu jest sygnał o wartości 1. Sygnał o wartości 0 na wyjściu Y pojawi się wtedy, gdy
na obu wejściach jest sygnał 0. Taką samą logikę ma układ przekaźnikowy na rysunku 69c).
Przekaźnik Y zadziała, jeśli zestyk X

1

lub X

2

zostanie zwarty. W tabeli 3 pokazano działanie

pozostałych podstawowych bramek logicznych.

Tabela. 2. Podstawowe bramki logiczne [opracowanie własne]

Nazwa bramki

Symbol

Zapis

symboliczny

funkcji

NIE
(NOT)

X

Y

=

LUB
(OR)

2

1

X

X

Y

+

=

I
(AND)

2

1

X

X

Y

⋅

=

Nie I
(NAND)

2

1

X

X

Y

⋅

=

Nie LUB
(NOR)

2

1

X

X

Y

+

=

Rys. 69. Bramka OR: a) symbol, b) tabela prawdy, c) schemat przekaźnikowy Y=X

1

+X

2

[opracowanie własne]

Tabela. 3. Działanie dwuwejściowych bramek logicznych [opracowanie własne]

Sygnały wejściowe

Sygnały wyjściowe bramek

X1

X2

OR

NOR

AND

NAND

0
0
1
1

0
1
0
1

0
1
1
1

1
0
0
0

0
0
0
1

1
1
1
0

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

67

Budowa komputera

Podstawowymi elementami komputera są procesor i pamięć operacyjna. Procesor

jest „sercem” komputera wykonanym w postaci układu scalonego odpowiedzialnym
za przetwarzanie informacji. Parametrem określającym procesor jest długość słowa binarnego
wyrażona w bitach (32, 64) i częstotliwość zegara określona w GHz np.1 GHz. Pamięć
operacyjna służy do przechowywania programu i danych. Pamięć składa się z komórek,
w których przechowywane są informacje – słowa. Każda komórka ma swój adres.
Komunikacja w komputerze odbywa się przez szyny danych i szyny adresowe. Komputer
współpracuje z urządzeniami zewnętrznymi przez układy wejścia–wyjścia. Urządzeniami
zewnętrznymi są: klawiatura, mysz, stacja dysków, monitor, drukarka, ploter, skaner, modem.
Oprogramowanie komputerów

Wśród oprogramowania można wyróżnić systemy operacyjne, które kontrolują zadnia

wykonywane przez komputer. Najczęściej stosowanymi systemami operacyjnymi
są WINDOWS i LINUX. Oprócz systemów operacyjnych wyróżniamy oprogramowanie
użytkowe. Do najczęściej stosowanych programów należą: edytory tekstów i grafiki, arkusze
kalkulacyjne, programy do tworzenia baz danych, prezentacji multimedialnych, rysunków
technicznych, programy wspomagania projektowania. Oddzielną grupę stanowią języki
programowania. Służą one do tworzenia innych programów. Każdy język programowania
to zbiór określonych reguł, za pomocą których programista tworzy tak zwany kod źródłowy
programu.
Wykorzystanie komputera w dydaktyce i praktyce

Komputer może być bardzo przydatnym narzędziem w pracowni elektrotechniki

i elektroniki. Dzięki Internetowi można wyszukiwać elementy i układy elektroniczne,
schematy

elektryczne,

instrukcje

obsługi

różnych

urządzeń.

Internet

pozwala

też na interaktywne formy uczenia się. Dzięki programom komputerowym można dobierać
elementy i układy elektryczne, rysować schematy oraz symulować działanie układów
analogowych i cyfrowych. Na rysunku 72 przedstawiono wykorzystanie programu
komputerowego do rysowania układów elektrycznych i elektronicznych oraz do symulacji
działania układów. Rysunki powstały przy użyciu programu „SPLAN40”.

Rys. 72. Rysowanie schematów przy pomocy programu komputerowego „SPLAN40” [opracowanie własne]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

68

4.9.2. Pytania sprawdzające

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

1. Jak przedstawia się liczby dziesiętne w systemie dwójkowym?
2. Jaka jest zasada dodawania i mnożenia liczb dwójkowych?
3. Jakie są symbole podstawowych bramek logicznych?
4. Jak działają podstawowe bramki dwuwejściowe?
5. Jak zbudowany jest komputer?
6. Jakie są sposoby wykorzystania komputera w dydaktyce i praktyce?

4.9.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Dokonaj sprawdzenia poprawności działania bramek logicznych: NOT, OR, NOR, AND,

NAND. Połącz bramki według schematu i sprawdź realizowaną funkcję logiczną.

Rys. do ćwiczenia 1 a) dydaktyczny zestaw bramek b) schematy połączeń bramek [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować obsługę zestawu dydaktycznego do badania bramek,
2) włączać sygnały 0 lub 1 na wejścia bramki i obserwować stan wyjścia na diodach

świecących LED,

3) na podstawie wyników narysować tabelę prawdy każdej bramki,
4) połączyć kolejno bramki zgodnie z rysunkiem 1b,
5) sprawdzić, czy połączone ze sobą bramki realizują określone funkcje logiczne,
6) zaproponować inny rodzaj połączeń bramek i sprawdzić funkcję wyjściową,
7) odszukać w katalogu układy scalone podstawowych bramek dwuwejściowych,
8) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

zasilacz napięcia stałego, multimetr cyfrowy, katalog,

−

zestaw dydaktyczny podstawowych bramek logicznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

69

Ćwiczenie 2

Narysuj schematy układów analogowych i cyfrowych przy pomocy dowolnego programu

komputerowego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) narysować schemat wzmacniacza w układzie WE, przy pomocy dowolnego programu

komputerowego,

2) narysować schemat przykładowego układu cyfrowego realizowanego przy pomocy

dowolnego programu komputerowego.

Wypsażenie stanowiska pracy:

−

komputer z dostępem do Internetu,

−

drukarka.

4.8.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) przedstawić liczby dziesiętne w systemie dwójkowym?





2) zapisać zasady dodawania i mnożenia liczb dwójkowych?





3) narysować symbole podstawowych bramek logicznych?





4) wyjaśnić, jak działają podstawowe bramki dwuwejściowe?





5) wyjaśnić, jak zbudowany jest komputer?





6) wykorzystać komputer do wyszukiwania informacji na temat

elektroniki i do rysowania schematów elektronicznych?





„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

70

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1. Przeczytaj uważnie instrukcję.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Test zawiera 27 zadań. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi.

Tylko jedna jest prawidłowa.

5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce

znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

6. Zadania wymagają prostych obliczeń, które powinieneś wykonać przed wskazaniem

poprawnego wyniku. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję
z wykonanego zadania.

7. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie

na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

8. Na rozwiązanie testu masz 35 minut.

Powodzenia!

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

71

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Ładunek elektryczny zgromadzony w kondensatorze jest

a) wprost proporcjonalny do pojemności a odwrotnie proporcjonalny do napięcia.
b) wprost proporcjonalny do iloczynu napięcia i pojemności.
c) wprost proporcjonalny do napięcia a odwrotnie do pojemności.
d) wprost proporcjonalny do iloczynu napięcia i czasu.

2. Dwa kondensatory, każdy o pojemności 2 μF, połączone szeregowo mają pojemność

zastępczą
a) 0,2 μF.
b) 1 μF.
c) 2 μF.
d) 4 μF.

3. Indukcyjność własna cewki L rośnie, jeśli

a) maleje przenikalność magnetyczna.
b) maleje długość cewki.
c) rośnie długość cewki.
d) maleje liczba zwojów.

4. Jednostką natężenia pola magnetycznego jest:

a) T.
b)

m

A

⋅

.

c) A/m.
d) Wb.

5. Prawidłowy zwrot linii sił pola magnetycznego wokół przewodu z prądem pokazuje

rysunek

6. Jeżeli przez rezystor R=100

Ω

płynie prąd I=2A, to spadek napięcia na rezystorze wynosi

a) 200 V.
b) 0,02 V.
c) 50 V.
d) 100 V.

II

a)

I

b)

I

b)

I

c)

I

c)

I

d)

II

d)

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

72

7. Jeśli zastąpisz połączenie rezystorów R

1

, R

2

, R

3

, jednym rezystorem to będzie on miał

rezystancję zastępczą równą
a) 4

Ω

.

b) 5

Ω

.

c) 8

Ω

.

d) 2

Ω

.

8. Największy prąd płynie przez opornik

a) R

1

.

b) R

2

.

c) R

3

.

d) R

4

.

9. Częstotliwość prądu przemiennego, którego okres T=10 ms, wynosi

a) 1 Hz.
b) 10 Hz.
c) 100 Hz.
d) 1000 Hz.

10. Jeżeli w układzie pomiarowym watomierz wskazuje 120 W, a amperomierz 3 A, to

woltomierz pokaże
a) 360 V.
b) 40 V.
c) 30 V.
d) 13,3 V.

11. Jeżeli częstotliwość napięcia zasilającego będzie się zmieniała od 0 do 100 kHz, to

reaktancja kondensatora będzie
a) będzie rosła.
b) będzie rosła, a potem malała.
c) będzie malała.
d) będzie malała, a potem rosła.

12. Połączenie układu trójfazowego w gwiazdę pokazuje rysunek

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

73

13. Do oznaczenia miernika elektromagnetycznego stosuje się symbol

14. Prawidłowe połączenie mierników pokazuje rysunek

15. Jeżeli rezystancja R

1

=R

2

, a w gałęzi z rezystorem nastąpiła przerwa, to moc czynna

wskazana przez watomierz
a) zmalała 2–krotnie.
b) zmalała 4–krotnie.
c) wzrosła 2–krotnie.
d) wzrosła 4–krotnie.

16. Charakterystykę przedstawiającą zależność R=f(U) ma

a) termistor.
b) warystor.
c) hallotron.
d) magnetorezystor.

17. Symbol tranzystora bipolarnego PNP pokazuje rysunek

18. Jeżeli

∆

I

C

=10mA,

∆

I

B

=0,05mA, to wzmocnienie prądowe

β

tranzystora bipolarnego

wynosi:
a) 20.
b) 100.
c) 200.
d) 2000.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

74

19. Charakterystykę prądowo–napięciową tyrystora pokazuje rysunek:

20. Największe tętnienie napięcia wyjściowego ma układ zawierający

a) prostownik jednopołówkowy bez kondensatora.
b) prostownik dwupołówkowy bez kondensatora.
c) prostownik dwupołówkowy z kondensatorem.
d) prostownik jednopołówkowy z kondensatorem.

21. Prawidłową zależność napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego w stabilizatorze

przedstawia rysunek

22. Przedstawiony na rysunku układ jest

a) wzmacniaczem napięcia w układzie WE.
b) wzmacniaczem operacyjnym.
c) wzmacniaczem mocy.
d) wzmacniaczem różnicowym.

23. Ciąg impulsów prostokątnych generuje samoczynnie

a) przerzutnik astabilny.
b) generator Colpittsa.
c) generator Meissnera.
d) generator RC z mostkiem Wiena.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

75

24. Przedstawiony na rysunku silnik jest silnikiem

a) szeregowym.
b) bocznikowym.
c) szeregowobocznikowym.
d) równoległym.

25. Do grupy elementów stykowych nie zalicza się

a) bezpiecznik bimetaliczny.
b) przekaźnik prądu zmiennego.
c) łącznik wtykowy.
d) cewka.

26. Do zabezpieczeń urządzeń elektrycznych stosuje się głównie bezpieczniki

a) elektromagnetyczne.
b) bimetaliczne.
c) półprzewodnikowe.
d) topikowe.

27. Symbol na rysunku oznacza bramkę

a) NAND.
b) OR.
c) NOR.
d) AND.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

76

KARTA ODPOWIEDZI

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

Badanie układów elektrycznych i elektronicznych

Zakreśl poprawną odpowiedź.

Nr

zadania

Odpowiedź

Punkty

1

a

b

c

d

2

a

b

c

d

3

a

b

c

d

4

a

b

c

d

5

a

b

c

d

6

a

b

c

d

7

a

b

c

d

8

a

b

c

d

9

a

b

c

d

10

a

b

c

d

11

a

b

c

d

12

a

b

c

d

13

a

b

c

d

14

a

b

c

d

15

a

b

c

d

16

a

b

c

d

17

a

b

c

d

18

a

b

c

d

19

a

b

c

d

20

a

b

c

d

21

a

b

c

d

22

a

b

c

d

23

a

b

c

d

24

a

b

c

d

25

a

b

c

d

26

a

b

c

d

27

a

b

c

d

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

77

6. LITERATURA

1. Chochowski A.: Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla elektryków. Cz. I i II. WSiP,

Warszawa 2002

2. Kurdziel Z.: Podstawy elektrotechniki dla ZSZ. Cz. I i II. WSiP, Warszawa 1999
3. Marusak A.: Urządzenia elektroniczne. Cz. I i II. WSiP, Warszawa 2000
4. Stein Z.: Maszyny elektryczne. WSiP, Warszawa 1999

Czasopisma:

−

Elektronika Praktyczna

−

Elektronika