Technik_gor_podziemnego_311[15].O2.01

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

Wprowadzenie

Wymagania wstępne

Cele kształcenia

Materiał nauczania

4.1. Podstawy elektrotechniki

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Obwody elektryczne prądu stałego i przemiennego

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Energia i moc elektryczna

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Maszyny i urządzenia elektryczne

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

4.6. Instalacje elektryczne

4.6.1. Materiał nauczania

4.6.2. Pytania sprawdzające

4.6.3. Ćwiczenia

4.6.4. Sprawdzian postępów

4.7. Podstawy elektroniki. Półprzewodnikowe elementy elektroniczne

4.7.1. Materiał nauczania

4.7.2. Pytania sprawdzające

4.7.3. Ćwiczenia

4.7.4. Sprawdzian postępów

4.8. Układy elektroniczne

4.8.1. Materiał nauczania

4.8.2. Pytania sprawdzające

4.8.3. Ćwiczenia

4.8.4. Sprawdzian postępów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WPROWADZENIE

Poradnik ten pomoŜe Ci w przyswajaniu wiedzy z zakresu układów elektrycznych

i elektronicznych , umiejętności ich analizy i pomiarów.

W poradniku zamieszczono:

−

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

−

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

−

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

−

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

−

ćwiczenia, które umoŜliwia Ci nabycie umiejętności praktycznych,

−

sprawdzian postępów,

−

literaturę.

W materiale nauczania zostały omówione zagadnienia dotyczące układów elektrycznych,

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

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

–

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

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

oznaczeń elementów,

–

dokumentacji technicznej urządzeń elektrycznych,

–

przeprowadzonych analiz schematów elektrycznych,

–

obliczeń wielkości elektrycznych,

–

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

postępów, zamieszczony po ćwiczeniach. W tym celu:
–

przeczytaj pytania i odpowiedz na nie,

–

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

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

Poznanie przez Ciebie wszystkich lub określonej części wiadomości o obwodach prądu

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

scharakteryzować podstawowe wielkości elektryczne i ich jednostki,

−

obliczyć podstawowe wielkości elektryczne,

−

rozróŜnić elementy obwodów prądu stałego i przemiennego,

−

rozpoznać symbole graficzne podstawowych elementów elektrycznych i elektronicznych,

−

połączyć układy elektryczne i elektroniczne według schematów,

−

dobrać przyrządy pomiarowe do pomiarów wielkości elektrycznych,

−

zmierzyć podstawowe wielkości elektryczne w obwodach prądu stałego i przemiennego,

−

wyjaśnić zasadę działania podstawowych maszyn i urządzeń elektrycznych,

−

scharakteryzować podstawowe parametry maszyn i urządzeń elektrycznych,

−

rozróŜnić instalacje elektryczne i ich osprzęt,

−

scharakteryzować zasady eksploatacji maszyn i urządzeń elektrycznych,

−

scharakteryzować diody, tranzystory, tyrystory i układy scalone,

−

scharakteryzować podstawowe elementy stosowane w automatyce,

−

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

−

wyjaśnić działanie układów elektronicznych na podstawie schematów,

−

zbudować układy prostownicze, stabilizujące i generacyjne,

−

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

−

zinterpretować wyniki pomiarów,

−

przewidzieć zagroŜenia dla Ŝycia i zdrowia w czasie pracy z urządzeniami elektrycznymi,

−

zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpoŜarowej oraz
przeciwporaŜeniowej podczas pomiarów wielkości elektrycznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Podstawy elektrotechniki

4.1.1. Materiał nauczania

Bezpieczeństwo i higiena pracy

Szczegółowe przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy dotyczące pracy z urządzeniami

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

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

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

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

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

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

W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów

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

Podstawowe wielkości elektryczne

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

potencjał elektryczny, rezystancja, pojemność kondensatora, indukcyjność cewki.

Pojęciem prądu elektrycznego określamy zjawisko uporządkowanego ruchu ładunków

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

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

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

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

W obwodach elektrycznych większości urządzeń powszechnego uŜytku oraz maszyn

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Prąd przemienny (sinusoidalnie zmienny jednofazowy).

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

Wielkości charakteryzujące prąd sinusoidalnie zmienny:

−

i =

(

)

⋅

ωt

sin

– wartość chwilowa,

−

– wartość maksymalna czyli amplituda,

−

– prędkość kątowa czyli tzw. pulsacja,

−

T – okres czyli czas jednego cyklu T =

2π

T= [s],

−

– kąt przesunięcia fazowego, na powyŜszym wykresie czasowym

=0, zatem wartość

chwilowa określona jest zaleŜnością

i =

ωt

sin

⋅

−

f – częstotliwość określająca ilość cykli na sekundę f =

f = [Hz].

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

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

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

I =

oraz U =

Tabela 1. Podstawowe wielkości elektryczne

Wielkość elektryczna

Symbol

Nazwa jednostki

Oznaczenie jednostki

prąd elektryczny

amper

napięcie elektryczne

wolt

potencjał elektryczny

wolt

rezystancja

Ω

pojemność

farad

indukcyjność

henr

moc elektryczna

wat

energia elektryczna

dŜul

okres

sekunda

częstotliwość

herc

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Prawo Ohma

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

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

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

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

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

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

U = R · I

Prawo Ohma moŜna przekształcić do dwóch postaci:

−

, skąd moŜna obliczyć wartość prądu płynącego przez rezystor znając jego

rezystancję i wartość spadku napięcia,

−

, skąd moŜna obliczyć wartość rezystancji rezystora znając jego wartość spadku

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

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

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

= R · I

4.1.2. Pytania sprawdzające

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

Jakie znasz podstawowe wielkości elektryczne?

Jakie znasz rodzaje prądu elektrycznego?

Jakie wielkości charakteryzują prąd przemienny?

Jaką wartość napięcia i prądu sinusoidalnie zmiennego mierzą mierniki elektryczne?

Jaką zaleŜność opisuje prawo Ohma?

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz wartość skuteczną prądu przemiennego płynącego przez rezystor o rezystancji

R=2,2k

Ω

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

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zapisać prawo Ohma w podstawowej postaci,

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

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

zaprezentować wyniki.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

kalkulator,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Określ, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe.

Zdanie:

prawda

fałsz

Jednostką prądu elektrycznego jest wolt [V].

Mierniki elektryczne mierzą wartość skuteczną prądu przemiennego.

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

Częstotliwość jest wielkością charakteryzującą napięcie stałe.

Kąt przesunięcia fazowego charakteryzuje prąd przemienny.

Moc elektryczną wyraŜamy w watach [W].

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeczytać treści z poradnika dotyczące podstawowych wielkości elektrycznych,

przeanalizować zdania decydując czy jest prawdziwe czy fałszywe,

zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

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

jednostkę lub jej oznaczenie.

wielkość elektryczna

symbol

jednostka

oznaczenie

jednostki

moc

amper

wartość chwilowa

napięcia przemiennego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

rozpoznać symbole wielkości elektrycznej,

rozróŜnić oznaczenia jednostek,

wypełnić

wszystkie

wiersze

tabeli

tak,

kaŜdej

wielkości

elektrycznej

przyporządkowany był symbol, jednostka i jej oznaczenie,

zaprezentować wyniki.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

przyporządkować wielkością elektrycznym odpowiednie jednostki?

określić oznaczenie jednostki wielkości elektrycznej?

narysować przebieg czasowy prądu stałego?

narysować przebieg czasowy prądu sinusoidalnie zmiennego?

określić parametry prądu sinusoidalnie zmiennego?

obliczyć wartość częstotliwości prądu sinusoidalnie zmiennego,
znając jego okres?

zastrzałkować prądy i napięcie na odbiornikach w obwodzie prądu
stałego?

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Obwody elektryczne prądu stałego i przemiennego

4.2.1. Materiał nauczania

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

Obwód elektryczny prądu stałego i zmiennego jednofazowego (przemiennego) tworzą

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

−

elementy źródłowe, zwane inaczej aktywnymi lub czynnymi,

−

elementy odbiorcze zwane inaczej pasywnymi lub biernymi,

−

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

−

przyrządy pomiarowe, takie jak woltomierze, amperomierze itp..

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

W literaturze technicznej i dokumentacji wszystkich urządzeń elektrycznych

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

Wszystkie elementy elektryczne posiadają swoje symbole graficzne, za pomocą których

przedstawiane są na schemacie.

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

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

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

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

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

MoŜemy zatem zauwaŜyć, Ŝe:

−

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

−

obwód nierozgałęziony posiada jedną gałąź,

−

obwód nierozgałęziony stanowi jedno oczko.

Połączenie źródeł napięcia i odbiorników

W obwodach elektrycznych prądu stałego i (przemiennego) zmiennego jednofazowego

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

W połączeniu szeregowym przez wszystkie elementy obwodu przepływa przez ten sam

prąd. Obwód taki stanowi jedno oczko.

Rys. 6. Schematy obwodów z elementami połączonymi:

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

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

Rezystory połączone ze sobą równolegle występują w obwodach rozgałęzionych.

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W ogólnym przypadku odwrotność rezystancji zastępczej dowolnej ilości rezystorów

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

W rozgałęzionych obwodach elektrycznych występują równieŜ połączenia mieszane,

w których część elementów połączonych równolegle, a część szeregowo.

W obwodach prądu przemiennego podstawowymi odbiornikami prócz rezystorów są

równieŜ cewki (o indukcyjności L

gromadzące energię elektryczna w polu magnetycznym

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

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

a) szeregowo, b) równolegle

Prawa Kirhhoffa dla obwodów prądu stałego i przemiennego.

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

algebraiczna prądów jest równa zeru.

∑

Symbol

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

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

Rys. 8. Przykładowy węzeł obwodu elektrycznego

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

oraz I

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

, I

oraz I

i I

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

moŜna napisać równanie w myśl I prawa Kirchhoffa:

−

Równanie to moŜemy przekształcić do postaci:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

∑

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

suma algebraiczna napięć źródłowych i odbiornikowych jest równa zeru.

∑





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

występujące na rezystancjach danego oczka. Symbole

odpowiadają indeksom źródeł

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

W obwodach prądu zmiennego jednofazowego II prawo Kirchhoffa naleŜy stosować

w odniesieniu do wartości chwilowych napięć źródłowych i odbiornikowych.

∑



∑

⋅

PowyŜsza  postać  II  prawa  Kirchhoffa  mówi,  Ŝe  w  kaŜdym  oczku  obwodu  elektrycznego
prądu  zmiennego  jednofazowego  suma  wartości  chwilowych  napięć  źródłowych  jest  równa
sumie wartości chwilowych napięć odbiornikowych.

4.2.2. Pytania sprawdzające

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

Jak klasyfikujemy obwody elektryczne prądu stałego i zmiennego jednofazowego?

W jaki sposób odwzorowuje się graficznie obwód elektryczny?

Jak dzielimy elementy elektryczne?

W jaki sposób mogą być połączone elementy w obwodach elektrycznych?

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

Jak brzmi I prawo Kirchhoffa?

Dla jakich wartości prądu przemiennego moŜna stosować I prawo Kirchhoffa?

Jak brzmi II prawo Kirchhoffa?

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

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

tego obwodu?

Rysunek do ćwiczenia 1– Obwód elektryczny

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeanalizować schemat obwodu elektrycznego,

sklasyfikować obwód przedstawiony na schemacie,

rozpoznać symbole graficzne elementów elektrycznych na schemacie,

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

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

Rysunek do ćwiczenia 2. Schemat rozgałęzionego obwodu elektrycznego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeanalizować schemat obwodu elektrycznego,

określić typ połączenia jakie przedstawia schemat,

określić sposób połączenia poszczególnych elementów,

zaprezentować wyniki swojej pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

rozróŜnić na schemacie symbole elementów elektrycznych?

narysować

schemat

przykładowego

nierozgałęzionego

i rozgałęzionego obwodu elektrycznego?

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

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

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

zapisać równanie I prawa Kirchhoffa dla węzła obwodu
elektrycznego?

wyjaśnić II prawo Kirchhoffa?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych

4.3.1. Materiał nauczania

Metody pomiarowe w obwodach elektrycznych

Metoda pomiarowa określa sposób wykonania pomiaru. Pomiary wielkości elektrycznych

moŜna wykonywać bezpośrednio lub pośrednio.

W pomiarach bezpośrednich wartość wielkości mierzonej odczytuje się bezpośrednio

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

W pomiarach pośrednich wykonuje się pomiary innych wielkości elektrycznych niŜ

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

Elektroniczne przyrządy pomiarowe

WyróŜniamy dwa rodzaje przyrządów pomiarowych: analogowe i cyfrowe.

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

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

pracować jako amperomierze, woltomierze czy omomierze.

Rys. 9. Miernik uniwersalny [18]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

Pomiary napięcia i prądu w obwodach prądu stałego i przemiennego.

Podstawowe wielkości elektryczne mierzone w układach elektrycznych to napięcie

elektryczne i natęŜenie prądu.

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

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

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

, b) Schemat układu do pomiaru prądu

Pomiaru natęŜenia dokonuje się za pomocą amperomierza, który włączany jest

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

Ω

W obwodach prądu stałego, jednofazowego zmiennego i trójfazowego pomiarów

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

Rys. 11. Schemat układu do pomiaru) rezystancji omomierzem

Pomiaru rezystancji elementów elektrycznych wykonuje się omomierzem w sposób
przedstawiony na powyŜszym rysunku NaleŜy pamiętać, Ŝe element, którego rezystancję
mierzymy tą metodą nie moŜe być włączony w obwód elektryczny, ani zasilony.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

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

Jakie znasz metody pomiarowe stosowane w obwodach elektrycznych?

Jaki miernik słuŜy do pomiaru napięcia?

Jaki miernik słuŜy do pomiaru prądu?

Jaki miernik słuŜy do pomiaru rezystancji?

Czym charakteryzuje się miernik uniwersalny?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj pomiary rezystancji za pomocą cyfrowego miernika uniwersalnego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeanalizować treść zadania,

narysować schemat pomiarowy,

zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,

zapisać oznaczenia wybranych przyrządów,

wybrać tryb pracy miernika,

wykonać pomiary rezystancji wybranych elementów,

zapisać wyniki pomiarów,

porównać zmierzone wartości z wartościami podanymi przez producenta rezystorów,

sformułować wnioski.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

rezystory: R = 1 k

Ω

/1W; R = 1,8 k

Ω

/1W; R = 2,2 k

Ω

/1W; R = 820

Ω

/2W;

R = 1,5k

Ω

/1W,

−

miernik uniwersalny cyfrowy.

Ćwiczenie 2

Wykonaj pomiar spadku napięcia na rezystorze R

Schemat układu pomiarowego do ćwiczenia 2

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeanalizować treść zadania,

zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,

zapisać oznaczenia wybranych przyrządów,

wybrać tryby pracy mierników,

połączyć układ pomiarowy,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wykonać pomiar spadku napięcia,

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

zasilacz stabilizowany napięcia stałego +15 V,

–

rezystory: R = 1k

Ω

/1W; R = 1,8 k

Ω

/1W; R = 2,2 k

Ω

/1W,

–

uniwersalny miernik cyfrowy,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 3

Wykonaj pomiar prądu w układzie nierozgałęzionym prądu przemiennego złoŜonym

z rezystora i źródła napięcia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

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

narysować schemat układu do pomiaru prądu w tym obwodzie,

zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,

zapisać oznaczenia wybranego przyrządu,

wybrać tryb pracy miernika,

połączyć układ zgodnie ze schematem pomiarowym,

wykonać pomiar prądu,

zapisać wyniki pomiarów,

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

10)

porównać zmierzoną wartość z wartością obliczona na podstawie prawa Ohma,

11)

sformułować wnioski,

12)

zaprezentować wyniki pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

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

−

rezystor 1 k

Ω

−

uniwersalny miernik cyfrowy,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

sklasyfikować metody pomiarowe?

scharakteryzować mierniki analogowe?

połączyć układ pomiarowy według schematu?

dobrać miernik do pomiaru określonej wielkości elektrycznej?

ustawić tryb pracy miernika uniwersalnego do pomiaru określonej
wielkości elektrycznej?

wykonać pomiar spadku napięcia na rezystorze?

wykonać pomiar prądu?

wykonać pomiar rezystancji?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Energia i moc elektryczna

4.4.1. Materiał nauczania

Energia elektryczna

Energia elektryczna to energia jaką prąd elektryczny przekazuje odbiornikowi, który

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

⋅

Jednostką energii elektrycznej jest dŜul [J].

[ ] [ ] [ ]

⋅

ZuŜycie energii elektrycznej w gospodarstwach domowych i zakładach przemysłowych

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

Rodzaje źródeł energii elektrycznej

KaŜde źródło energii elektrycznej jest w istocie przetwornikiem innej postaci energii

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

Źródła elektromechaniczne to przetworniki energii mechanicznej w elektryczną –

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

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

Źródła chemiczne wytwarzają energię elektryczna dzięki reakcjom chemicznym.

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

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

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

Źródła cieplne zamieniają energię cieplną na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie

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

Rys. 13. Ogniwo termoelektryczne zwane termoelementem

[2, s. 84]

Źródła świetlne, czyli generatory fotoelektryczne (zwane teŜ ogniwami

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

Wytwarzanie energii elektrycznej na skalę przemysłową

Energię elektryczną na skalę przemysłową produkują elektrownie. Przetwarzają one

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

−

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

−

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Moc w układach elektrycznych.

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

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

⋅

P = [W]

jednostką mocy jest wat [W].

JeŜeli prąd I lub napięcie U obliczamy z prawa Ohma, zaleŜność opisująca moc przyjmie

jedną z dwóch postaci

lub

⋅

Moc oddawana przez elementy źródłowe określana jest z zaleŜności

⋅

gdzie

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

z rozpatrywanym źródłem.

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

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

Moc prądu sinusoidalnego

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

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

P = U ·I ·cosφ

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

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

kąta przesunięcia fazowego między przebiegami prądu i napięcia.

Q = U ·I · sinφ

Jednostką mocy biernej jest war [var]

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

S = U ·I

Jednostką mocy pozornej jest woltoamper [VA]
Określona jest równieŜ zaleŜnością:

S =

Pomiar mocy

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

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

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

W metodzie technicznej wartość mocy oblicza się na podstawie zaleŜności:

−

dla prądu stałego:

⋅

−

dla prądu przemiennego:

cos

⋅

, dla odbiorników rezystancyjnych

cos

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

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

w obwodzie prądu zmiennego jednofazowego.

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

4.4.2. Pytania sprawdzające

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

Jaka jest jednostka energii elektrycznej?

Jakie rodzaje znasz źródeł energii elektrycznej?

Czym róŜni się akumulator od ogniwa galwanicznego?

W jaki sposób przesyła się energię elektryczną?

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

O czym mówi bilans mocy?

Jakie rodzaje mocy występują w obwodzie prądu sinusoidalnego?

Jakie znasz metody pomiaru mocy?

Jaką moc moŜna zmierzyć watomierzem?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

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

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

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zapisać zaleŜność określającą moc wydzielona na rezystorze,

podstawić do zapisanej zaleŜności dane liczbowe i wykonać obliczenia,

zaprezentować wyniki.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

kalkulator,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

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

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

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy,

zapisać oznaczenia wybranych elementów i miernika,

połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem,

dokonać pomiaru mocy wydzielonej na rezystorze,

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

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

⋅

porównać zmierzoną wartość mocy z obliczoną teoretycznie,

sformułować wnioski,

zaprezentować wyniki pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

zasilacz stabilizowany +5 V,

–

rezystor 100

Ω

–

watomierz,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

rozróŜnić rodzaj źródła energii elektrycznej?

opisać budowę i zasadę określonego typu źródła energii
elektrycznej?

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

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

scharakteryzować sposób wytwarzania energii na skalę
przemysłową?

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

Scharakteryzować moc w obwodach prądu przemiennego?

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

zmierzyć moc wydzieloną w obwodzie prądu stałego metodą
pośrednią?

10)

zmierzyć moc czynną wydzieloną w obwodzie prądu
przemiennego metodą pośrednią?

11)

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

12)

zmierzyć moc metodą bezpośrednią?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Maszyny i urządzenia elektryczne

4.5.1. Materiał nauczania

Maszyny elektryczne są urządzeniami elektromechanicznymi słuŜącymi do przetwarzania

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

−

silniki – przetwarzające energię elektryczną na mechaniczną,

−

prądnice – przetwarzające energię mechaniczną na elektryczną,

−

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

−

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

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

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

prądu stałego i zmiennego.

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

stojana (statora).

Stojan posiada:

−

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

−

tarcze łoŜyskowe i łoŜyska do osadzania wirnika, szczotkotrzymacze i szczotki.
Wirnik składa się z:

−

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

−

wału, na którym umieszczony jest rdzeń;

−

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

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

Rys. 16. Przekrój silnika indukcyjnego [19]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

i trójfazowe.

Silniki indukcyjne jednofazowe zasilane są z sieci jednofazowej niskiego napięcia.

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

Silnik indukcyjny trójfazowy posiada w stojanie trzy uzwojenia fazowe wykonane

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

−

stojana zwanego magneśnicą, który wytwarza strumień magnetyczny,

−

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

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

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

powstaje na skutek ruchu siła elektromotoryczna.

Ze względu na sposób połączenia pomiędzy uzwojeniem twornika i uzwojeniem

wzbudzenia, rozróŜniamy maszyny:

−

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

−

samowzbudne: bocznikową, szeregową i szeregowo-bocznikową.

Prądnica prądu stałego moŜe być:

−

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

−

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

−

nieruchomego stojana wytwarzającego pole magnetyczne,

−

ruchomego wirnika z uzwojeniami twornika,

−

szczotek – doprowadzających prąd do uzwojenia twornika,

−

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 17. Przekrój silnika prądu stałego [19]

Ze względu na sposób wytwarzania pola magnetycznego wyróŜniamy silniki prądu

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

Obcowzbudny silnik prądu stałego stosowany jest głównie w napędach wymagających

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

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

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

Stojan, wykonany jest w kształcie wydrąŜonego walca, zwykle jako Ŝeliwny lub staliwny

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

Uzwojenia główne wytwarzają pole magnetyczne, natomiast uzwojenie pomocnicze,

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

Szczotki, zazwyczaj krzemowe ślizgają się po komutatorze umoŜliwiając połączenie

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

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Urządzenia elektryczne
Podstawowe urządzenia elektryczne to urządzenia napędowe i grzewcze.

Elektryczne urządzenie napędowe to silnik elektryczny wraz z układami słuŜącymi do

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

−

znamionowy moment obrotowy,

−

moc znamionowa (lub prąd znamionowy),

−

napięcie znamionowe,

−

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

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

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

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

Układ napędowy z zamkniętym układem sterowania zwanym układem regulacji jest

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

Większość urządzeń przemysłowych moŜe być napędzana indukcyjnymi silnikami

trójfazowymi.

Elektryczne urządzenia grzewcze przekształcają energię elektryczną na energię cieplną.

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

Piece rezystancyjne wykorzystują ciepło powstające podczas przepływu prądu przez

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

Piece elektrodowe posiadają elektrody zanurzone w roztopionych mieszaninach soli.

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

Piece łukowe wykorzystują zjawisko łuku elektrycznego powstającego przy przerywaniu

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

Piece indukcyjne wykorzystują zjawisko powstawania prądów wirowych pod wpływem

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

Charakterystyczną cechą nagrzewania indukcyjnego jest to, Ŝe ciepło jest wytworzone

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

Piece pojemnościowe działają na zasadzie wytwarzania ciepła wewnątrz dielektryka pod

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Promienniki wytwarzają promieniowanie temperaturowe, którego energię pochłania
nagrzewane ciało.

Nagrzewanie ultradźwiękowe wykorzystuje zamieniane w ciepło drgania mechaniczne

powstające w wyniku absorpcji energii ultradźwiękowej.

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

zdatności, czyli gdy jest sprawne.
Eksploatacja maszyny obejmuje:

−

uŜytkowanie czyli wykonywanie przez urządzenia wyznaczonych mu zadań;

−

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

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

UŜytkowanie maszyn elektrycznych w zakładach przemysłowych, musi być zgodne ze

szczegółowymi instrukcjami o eksploatacji.

Maszyna moŜe być eksploatowana przez określony czas eksploatacji liczony od chwili

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

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

eksploatacja nie jest moŜliwa lub wskazana, maszynę naleŜy wycofać z eksploatacji czyli
złomować.

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

oraz warunków eksploatowania, czyli warunków uŜytkowania i obsługiwania.

Brak czynności konserwacyjnych oraz nieodpowiednie warunki pracy mogą skrócić

trwałość maszyn i urządzeń elektrycznych.

Maszyny prądu przemiennego powinny być uŜytkowane przy napięciu sinusoidalnym

o częstotliwości wynoszącej w Europie 50 Hz.

Maszyny i urządzenia elektryczne wyposaŜone są w trwale przymocowane tabliczki

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

Urządzenia elektryczne mogą podlegać eksploatacji jeśli:

−

odpowiadają wymaganiom określonym w normach i przepisach dotyczących urządzeń
grzejnych,

−

są zainstalowane zgodnie z dokumentacją techniczną,

−

odpowiadają warunkom ochrony przeciwporaŜeniowej i przeciwpoŜarowej,

−

posiadają pozytywne wyniki badań technicznych,

−

ich parametry techniczne są zgodne z dokumentacją.

Urządzenia elektryczne powinny być opatrzone informacjami takimi jak: symbole

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

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

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

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

sterowania to część układu, na którą oddziałują sygnały sterownicze.

Rys. 18. Schemat blokowy układu sterowania

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

W układach automatycznego sterowania elektrycznego stosuje się często styczniki

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

Przekaźnik w układzie elektronicznym pełni rolę zdalnie uruchamianego łącznika.

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

W otwartym układzie sterowania urządzenie sterujące nie otrzymuje zwrotnej informacji

o aktualnej wartości sygnału sterowanego.

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

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

Charakterystyczne dla wszystkich układów regulacji jest tzw. ujemne sprzęŜenie zwrotne

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

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

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

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

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

pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne i elektroniczne.

Natomiast ze względu na funkcje spełniane w układach automatyki na:

−

pomiarowe (czujniki, przetworniki, zespoły pomiarowe),

−

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

−

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

analogowe i cyfrowe.

W skład układu automatyki wchodzą:

−

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

−

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

−

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

−

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

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

−

wzmacniacz mocy.

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

4.5.2. Pytania sprawdzające

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

Jak dzielimy maszyny elektryczne ze względu na rodzaj przetwarzanej energii?

W jaki sposób zachodzą w maszynach elektrycznych przemiany energetyczne?

Z jakich elementów jest zbudowana wirująca maszyna elektryczna?

Jakie zastosowanie mają maszyny indukcyjne?

Jak zbudowany jest silnik indukcyjny?

Z jakich elementów zbudowana maszyna elektryczna prądu stałego?

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

Jakie elementy wyróŜniamy w budowie silnika prądu stałego?

Jak zbudowane jest elektryczne urządzenie napędowe?

10.

Jakie znasz typy elektrycznych urządzeń grzejnych?

11.

Jakie elementy stosowane są w układach automatycznego sterowania elektrycznego?

12.

Czym róŜnią się zamknięty i otwarty układ sterowania?

13.

Na czym polega sprzęŜenie zwrotne?

14.

Jakie elementy stosowane są w układach automatyki?

15.

O czym informuje tabliczka znamionowa?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ na podstawie tabliczki znamionowej typ, zastosowanie i podstawowe parametry

otrzymanego urządzenia elektrycznego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

dokonać oględzin urządzenia elektrycznego,

zapoznać się z informacjami zawartymi na tabliczce znamionowej,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

określić typ urządzenia,

scharakteryzować zastosowanie i zasadę działania otrzymanego urządzenia,

określić podstawowe parametry,

zaprezentować wyniki swojej pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

urządzenie elektryczne np. grzejne,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Określ na podstawie dokumentacji technicznej warunki eksploatacji silnika indukcyjnego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zapoznać się z dokumentacja techniczną silnika indukcyjnego,

określić jego podstawowe parametry,

scharakteryzować zastosowanie silnika,

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

zaprezentować wyniki.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna silnika indukcyjnego,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wskazać róŜnice w budowie i zasadzie działania podstawowych
maszyn elektrycznych?

rozróŜnić elementy budowy silników elektrycznych róŜnych typów?

scharakteryzować zasadę działania silnika prądu stałego ?

scharakteryzować zasadę działania silnika indukcyjnego?

określić na podstawie dokumentacji technicznej i/lub tabliczki
znamionowej

podstawowe

parametry

maszyn

urządzeń

elektrycznych?

scharakteryzować zasadę działania róŜnych typów elektrycznych
urządzeń grzewczych?

scharakteryzować budowę elektrycznych urządzeń napędowych?

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

scharakteryzować podstawowe elementy stosowane w automatyce?

10)

scharakteryzować działanie stycznika i przekaźnika w układach
automatycznego sterowania?

11)

scharakteryzować budowę i zasadę działania układów automatyki?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6. Instalacje elektryczne

4.6.1. Materiał nauczania

Instalacja elektryczna słuŜy do doprowadzenia energii elektrycznej o określonych

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

−

przewody,

−

osprzęt instalacyjny,

−

rozdzielnice,

−

urządzenia automatyki.

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

−

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

−

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

−

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

−

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

Układ instalacji elektrycznej zaleŜy od: przeznaczenia, potrzeb i nałoŜonych wymagań,
natomiast charakteryzuje się:

−

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

−

sposobem uziemienia,

−

sposobem ochrony przeciw poraŜeniowej.

Oznaczenia układów sieciowych

Instalacje elektryczne dzieli się na róŜnego rodzaju układy sieciowe zaleŜnie od sposobu

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

−

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

−

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

Druga litera określa związek między dostępnymi częściami przewodzącymi a ziemią:

−

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

−

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

−

S – wspólny przewód neutralno-ochronny PEN,

−

C – osobne przewody: neutralny N oraz ochronny PE,

−

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

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

Osprzęt instalacyjny

Urządzenia stanowiące wyposaŜenie instalacji nazywa się osprzętem instalacyjnym.

W jego skład wchodzą:

−

rury instalacyjne słuŜące do prowadzenia przewodów,

−

elementy konstrukcyjne instalacji prefabrykowanych,

−

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

−

gniazda czyli łączniki wtykowe,

−

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

−

bezpieczniki, zabezpieczające instalacje przed przeciąŜeniami,

−

oprawy oświetleniowe.

Przemysłowe instalacje elektryczne

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

z elementów prefabrykowanych, które moŜemy podzielić na:

−

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

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

−

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

−

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

−

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

Instalacje  przemysłowe  powinny  cechować  się:  moŜliwością  przenoszenia  duŜych  mocy
i zasilania  duŜej  liczby  róŜnorodnych  odbiorników  oraz  przejrzystością  i  estetyką  układu,
a takŜe  maksymalnym  stopniem  prefabrykacji  umoŜliwiającym  prostą  rozbudowę
i modernizację.

W zakładach przemysłowych, ze względu na konieczność zasilania wielu maszyn

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

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

środków ochrony przeciwporaŜeniowej.

Uziemienie zwane inaczej uziomem to przewód łączący określony punkt urządzenia

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

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

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

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

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

Zerowanie stosowane w instalacjach elektrycznych, polega na podłączeniu części

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

−

przewodu ochronnego PE w układzie sieciowym TN-S;

−

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

−

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

elektroenergetycznej, mogący słuŜyć do przesyłania energii elektrycznej.

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

przewodów oraz rezystancji uziemień ochronnych.

4.6.2. Pytania sprawdzające

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

Do czego słuŜy instalacja elektryczna?

Jakie typy instalacji rozróŜniamy ze względu na charakter odbiorników?

Jakie elementy i urządzenia wchodzą w skład instalacji elektrycznej?

Od czego zaleŜy rodzaj układu sieciowego instalacji?

Jakie elementy zaliczamy do osprzętu instalacyjnego?

Czym charakteryzuje się budowa instalacji elektrycznych stosowanych w przemyśle?

Jakie właściwości powinny cechować instalacje przemysłowe?

Jakie stosuje się zabezpieczenia urządzeń elektrycznych?

Jakie znasz rodzaje uziemień?

10.

Co to jest zerowanie?

11.

Do czego słuŜy przewód ochronno-neutralny?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ, na podstawie dokumentacji technicznej, jaki typ instalacji elektrycznej

zamontowano w hali produkcyjnej. Określ układ sieciowy tej instalacji.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeanalizować treść zadania,

zapoznać się z otrzymaną dokumentacją techniczną,

określić typ instalacji,

określić układ sieciowy instalacji,

zaprezentować wyniki.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna instalacji elektrycznej hali produkcyjnej,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

RozróŜnij elementy osprzętu instalacyjnego i określ ich przeznaczenie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

dokonać oględzin otrzymanych elementów osprzętu instalacyjnego,

rozróŜnić poszczególne elementy,

określić ich przeznaczenie,

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

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

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić typ instalacji na podstawie rodzaju przyłączonych odbiorników?

rozróŜnić podstawowe elementy instalacji elektrycznej?

określić na podstawie oznaczenia układu sieciowego zastosowany
sposób uziemienia?

rozróŜnić elementy osprzętu instalacyjnego?

scharakteryzować przemysłowe instalacje elektryczne ze względu na ich
konstrukcje?

rozróŜnić zabezpieczenia urządzeń elektrycznych?

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7. Podstawy

elektroniki.

Półprzewodnikowe

elementy

elektroniczne

4.7.1. Materiał nauczania

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

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

RozróŜniamy półprzewodniki samoistne oraz domieszkowane. Powszechnie stosowane

w elektronice są półprzewodniki domieszkowane.

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

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

akceptorową),

otrzymamy

półprzewodnik

typu

gdzie

nośnikami

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

Prąd elektryczny w półprzewodnikach jest uporządkowanym ruchem elektronów lub

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

Większość elementów półprzewodnikowych zawiera róŜnego rodzaju złącza, czyli

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

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

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

−

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

−

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

Podstawowe półprzewodnikowe elementy elektroniczne

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

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

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W układach elektronicznych dioda prostownicza wykorzystywana jest przede wszystkim

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

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

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

Rys. 23. Symbole graficzne diod a) stabilizacyjna

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

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

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

Diody LED wykorzystuje się zasadniczo jako samodzielne elementy sygnalizujące,

buduje się z nich równieŜ wyświetlacze.

Tranzystory
Obecnie produkowane jest wiele typów tranzystorów przeznaczonych do róŜnych

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

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

Struktura półprzewodnikowa tranzystora umieszczona jest w hermetycznie zamkniętej

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

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

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

Tranzystor bipolarny moŜe równieŜ pracować w stanie nieprzewodzenia zwanego teŜ

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

Stan nasycenia tranzystora bipolarnego charakteryzuje się przepływem duŜego prądu

kolektora, przy minimalnym napięciu pomiędzy kolektorem a emiterem.

Tranzystor unipolarny (polowy)

Rys. 25. Symbol graficzny tranzystora unipolarnego JFET

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

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

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

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

urządzeń energoelektronicznych.

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

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

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

bez wyprowadzonej bramki. Diaki stosowane są do sterowania triakami.

4.7.2. Pytania sprawdzające

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

Jakimi własnościami elektrycznymi charakteryzują się półprzewodniki?

Na czym polega polaryzacja złącza PN?

Jakie zastosowanie ma dioda prostownicza?

Jaka jest róŜnica w działaniu diody prostowniczej i Zenera?

W jakim celu stosuje się diody LED?

Jaka jest zasada działania tyrystora?

Jakie elementy nazywamy przełączającymi i gdzie są stosowane?

Jaka jest róŜnica w działaniu tyrystora i triaka?

Jakie znasz typy tranzystorów?

10.

Jakie wyprowadzenia posiada tranzystor bipolarny, a jakie unipolarny?

4.7.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ parametry tranzystora bipolarnego na podstawie katalogu elementów

elektronicznych. RozróŜnij jego wyprowadzenia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

dokonać oględzin otrzymanego tranzystora,

określić typ tranzystora,

wybrać odpowiedni katalog elementów elektronicznych,

wyszukać w katalogu kartę danego typu tranzystora,

określić parametry elementu,

rozróŜnić wyprowadzenia tranzystora,

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

tranzystor bipolarny,

−

katalogi elementów elektronicznych.

Ćwiczenie 2

Wyszukaj na otrzymanym schemacie elektrycznym symbole: diody prostowniczej,

stabilizacyjnej oraz tranzystora bipolarnego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeanalizować treść zadania,

zapoznać się z otrzymanym schematem elektrycznym,

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

zaprezentować wyniki pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

schemat układu elektronicznego,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

scharakteryzować właściwości półprzewodników?

scharakteryzować

przewodzenie

prądu

elektrycznego

przez

półprzewodniki?

scharakteryzować złącze PN?

wyjaśnić zasadę działania podstawowych elementów elektronicznych?

rozróŜnić symbole graficzne podstawowych elementów elektronicznych?

określić na podstawie katalogu parametry elementów elektronicznych?

rozróŜnić wyprowadzenia elementów elektronicznych?

scharakteryzować zastosowanie podstawowych elementów elektronicznych?

wyjaśnić róŜnice w działaniu triaka i tyrystora?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8. Układy elektroniczne

4.8.1. Materiał nauczania

Prostownik to układ przetwarzający napięcie zmienne w napięcie jednokierunkowe

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

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

(Graetza).

Rys. 27. Prostownik dwupołówkowy w układzie mostka Graetza

a) schemat, b) wykresy czasowe napięcia wjściowego U

oraz prądu wyjściowego U

[3, s. 105]

W czasie dodatniej połówki napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne

transformatora, przez diodę D

, obciąŜenie R

i diodę D

, natomiast przy ujemnej połówce

napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne transformatora, przez diodę D

obciąŜenie R

i diodę D

. W obu przypadkach prąd przez obciąŜenie płynie w tym samym

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

Stabilizatory napięcia stosuje się w celu uzyskania stałej wartości napięcia

elektrycznego. Zasadniczym elementem stabilizatora jest dioda Zenera.

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

Układy stabilizatorów produkowane obecnie w postaci układów scalonych mają znacznie

bardziej skomplikowaną i rozbudowaną konstrukcję.

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

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

Rys. 29. Schemat blokowy zasilacza [18]

Wzmacniacze

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

Zadaniem wzmacniacza jest wzmocnienie sygnału przy zachowaniu jego nie

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

NajwaŜniejszym parametrem wzmacniacza jest współczynnik wzmocnienia (zwany

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

Układy scalone
Powszechnie stosowane są obecnie układy scalone spełniające określoną funkcję

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

W technice cyfrowej stosowane są układy scalone zawierające podstawowe elementy

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wzmacniacz operacyjny to najbardziej rozpowszechniony analogowy układ

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

Wzmacniacz operacyjny słuŜy do budowy wielu układów wzmacniających, generatorów,

komparatorów i innych.

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

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

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

−

LC – gdzie częstotliwość zaleŜy od obwodu rezonansowego LC,

−

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

−

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

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

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

oraz bloku sprzęŜenia zwrotnego .

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

Podstawowe układy generatorów LC ze sprzęŜeniem zwrotnym to generatory Meissnera,

Colpittsa i Hartleya.

W generatorze Meissnera sprzęŜenie zwrotne realizowane jest za pomocą transformatora,

którego uzwojenie wtórne o indukcyjności L

i kondensator C

tworzą obwód rezonansowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Generator Colpittsa zawiera dzielnik pojemnościowy C

, C

, określający wartość napięcia

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

i C

i cewki

o indukcyjności L

W generatorze Hartleya dodatnie sprzęŜenie zwrotne realizuje cewka z dzielonym

uzwojeniem (L

, L

).Częstotliwość generowanego sygnału określa równoległy obwód

rezonansowy złoŜony z indukcyjności L = L

+ L

i pojemności C

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

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

Przerzutniki astabilne czyli multiwibratory to układy samowzbudne generujące przebiegi

okresowe o kształcie prostokątnym.

Przerzutniki monostabilne czyli uniwibratory wytwarzają jednorazowy impuls

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

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

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

Układy wszelkich generatorów moŜna realizować z wykorzystaniem wzmacniacza

operacyjnego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

4.8.2. Pytania sprawdzające

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

Jaka jest zasada działania prostownika?

W jakim celu stosuje się stabilizator?

Z jakich układów zbudowany jest zasilacz?

Do czego słuŜy wzmacniacz?

Co to jest układ scalony?

Czym charakteryzuje się wzmacniacz operacyjny?

Jakie układy moŜna budować w oparciu o wzmacniacz operacyjny?

Jakie jest zadanie generatora?

W jaki sposób określa się częstotliwość drgań generatorów?

10.

Jakie przebiegi generują przerzutniki?

4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ na podstawie dokumentacji technicznej z jakich układów składa się zasilacz

stabilizowany. Scharakteryzuj działanie tych układów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zapoznać się z dokumentacją techniczną zasilacza stabilizowanego,

scharakteryzować zasadę działania zasilacza,

rozróŜnić na schemacie poszczególne układy urządzenia,

scharakteryzować działanie rozróŜnionych układów,

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna zasilacza stabilizowanego,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Określ typ i zastosowanie układu scalonego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

dokonać oględzin otrzymanego układu scalonego,

odczytać oznaczenia układu,

określić typ układu posługując się katalogiem elementów i układów elektronicznych,

scharakteryzować zastosowanie układu scalonego,

zaprezentować wyniki swojej pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

katalog elementów i układów elektronicznych,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.8.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

scharakteryzować budowę i zasadę działania prostownika?

wyjaśnić zasadę działania stabilizatora?

scharakteryzować budowę i działanie zasilacza?

określić zasadę działania układów wzmacniających i generacyjnych?

scharakteryzować układy scalone?

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

scharakteryzować wzmacniacz operacyjny?

scharakteryzować generatory ze względu na budowę?

określić zastosowanie podstawowych układów elektronicznych?

10)

wyjaśnić działanie układów elektronicznych na podstawie schematów?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Elementy i układy logiczne

4.9.1. Materiał nauczania

Układy logiczne zbudowane są z elementów logicznych zwanych bramkami logicznymi.

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

logiczną jednej lub wielu zmiennych.

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

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

⋅

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

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

−

tablic prawdy, które ujmują wszystkie kombinacje sygnałów wejściowych

−

i odpowiadające im wyniki sygnałów wyjściowych.

−

funkcji logicznych.

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

a + b

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

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

logicznego ab

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

a b

a + b

0 0

0 1

1 0

1 1

0 0

0 1

1 0

1 1

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

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

zanegowanego iloczynu logicznego

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

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

logicznej

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

Bramka NOR jest funkcjonalnie pełna.

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

⊕

b = a

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

0 1
1 0

0 0

0 1

1 0

1 1

0 0

0 1

1 0

1 1

b a

⊕

0 0

0 1

1 0

1 1

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

⊗

b = a

≡

b = ab +

a b

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

Podstawowe układy logiczne to układy kombinacyjne słuŜące do sterowania

skomplikowanymi

układami

czy

urządzeniami

elektronicznymi.

Wśród

układów

kombinacyjnych wyróŜniamy układy komutacyjne umoŜliwiające przełączanie sygnałów
cyfrowych. NaleŜą do nich: multipleksery, demultipleksery.

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

wyjście układu.

Demultiplekser umoŜliwia przekazanie sygnału z wejścia informacyjnego do jednego

z jego wyjść.

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

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

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

Układy sekwencyjne są układami kombinacyjnymi wyposaŜonymi w pamięć. Stan

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

−

asynchroniczne, które nie posiadają wejścia zegarowego,

−

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

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

Przerzutnik synchroniczny typu T posiada jedno wejście informacyjne T oraz wejście

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

b a

⊗

0 0

0 1

1 0

1 1

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przerzutnik synchroniczny typu RS posiada dwa wejścia informacyjne S ustawiające

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

Przerzutnik synchroniczny typu RS posiada dwa wejścia informacyjne J oraz K

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

Rys. 43. Symbole przerzutników synchronicznych:

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

4.9.2. Pytania sprawdzające

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

Na jakich wartościach operują funkcje logiczne?

Jakie znasz funkcje logiczne?

Z jakich elementów budowane są układy logiczne?

Jakie znasz bramki logiczne?

Jakie jest zadanie układów komutacyjnych?

Czym charakteryzują się układy sekwencyjne?

Jakie znasz przerzutniki?

4.9.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

RozróŜnij układ scalony zawierający dwuwejściowe bramki NAND. Określ jego

wyprowadzenia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

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

określić, który układ scalony zawiera dwuwejściowe bramki NAND,

określić ile zawiera elementów i jak są jego wyprowadzenia,

wybrać spośród otrzymanych elementów układ UCY7400,

rozróŜnić wyprowadzenia układu,

scharakteryzować działanie bramki NAND,

zaprezentować wyniki ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

róŜne układy scalone, wśród nich układ UCY7400,

−

katalog elementów i układów elektronicznych,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

RozróŜnij na schemacie układu elektronicznego symbole elementów logicznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeanalizować otrzymany schemat,

rozróŜnić na schemacie symbole elementów logicznych,

określić funkcje logiczne jakie realizują rozróŜnione elementy,

zaprezentować wyniki ćwiczenia

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

schemat funkcjonalny układu elektronicznego z bramkami logicznymi,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.9.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

realizować funkcje logiczne?

wyjaśnić działanie podstawowych bramek logicznych?

rozróŜnić na schemacie ideowym symbole elementów i układów
logicznych?

określić zadania układów komutacyjnych?

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

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

rozróŜnić przerzutniki?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

Przeczytaj uwaŜnie instrukcję zanim zaczniesz rozwiązywać zadania.

Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.

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

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

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

Dodatkowe obliczenia wykonaj na drugiej stronie karty odpowiedzi.

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

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

Przed wykonaniem kaŜdego zadania przeczytaj bardzo uwaŜnie polecenie.

10.

Odpowiedzi udzielaj tylko na załączonej karcie odpowiedzi.

11.

Na rozwiązanie wszystkich zadań masz 60 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

ZaleŜność: i =

(

)

⋅

ωt

sin

, określa wartość

skuteczną prądu przemiennego.

średnią prądu przemiennego.

chwilową prądu stałego.

chwilową prądu przemiennego.

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

odbiorcze.

regulacyjne.

wzmacniające.

Watomierz słuŜy do pomiaru:
a)

pośredniego mocy.

napięcia.

bezpośredniego mocy.

prądu.

Woltomierze mierzą wartość:
a)

średnią napięcia przemiennego.

chwilową napięcia przemiennego.

skuteczną napięcia przemiennego.

międzyszczytową napięcia przemiennego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W obwodzie elektrycznym nierozgałęzionym elementy połączone są
a)

szeregowo.

równoległe.

mieszanie.

w gwiazdę.

Rysunek przedstawia symbol
a)

diody stabilizacyjnej.

diody prostowniczej.

diody LED.

tyrystora.

Rezystory nie są łączone
a)

szeregowo.

równolegle.

mieszanie.

łańcuchowo.

Bramki OR realizują funkcję
a)

sumy logicznej.

iloczynu logicznego.

zanegowanego iloczynu logicznego.

zanegowanej sumy logicznej.

Do osprzętu instalacyjnego nie naleŜą
a)

gniazda czyli łączniki wtykowe

odgałęźniki,

zasilacze.

bezpieczniki.

10.

Maszyną elektryczną indukcyjną jest
a)

piec indukcyjny.

silnik trójfazowy.

silnik prądu stałego.

prądnica prądu stałego.

11.

Znamionowy moment obrotowy jest parametrem
a)

elektrycznych urządzeń grzewczych.

urządzeń sterowania automatycznego.

urządzeń zasilających.

napędowych urządzeń elektrycznych.

12.

W układach automatycznego sterowania elektrycznego załączania silników stosuje się
a)

styczniki.

wzmacniacze operacyjne.

zasilacze.

generatory.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13.

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

Ω

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

14.

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

15.

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

16.

Rysunek przedstawia schemat przebiegu napięcia wejściowego i wyjściowego układu
a)

prostownika dwupołówkowego z filtrem pojemnościowym.

generatora napięcia sinusoidalnie zmiennego.

prostownika jednopołówkowego.

prostownika jednopołówkowego z filtrem pojemnościowym.

17.

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

2 s.

0,002 ms.

500 s.

2 ms.

18.

Rysunek przedstawia schemat układu do pomiaru mocy
a)

prądu stałego metodą bezpośrednią.

biernej prądu stałego metodą techniczną.

czynnej w obwodzie prądu przemiennego, metodą bezpośrednią i techniczną.

biernej prądu stałego metodą techniczną.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

19.

Moc wydzielona na rezystorze o rezystancji 1 k

Ω

, na którym woltomierz wskazał spadek

napięcia 5V wynosi
a)

25W.

25mW.

20W.

20mW.

20.

Wartość skuteczna prądu przemiennego płynącego przez rezystor R = 10 k

Ω

, na który

woltomierz wskazał spadek napięcia U = 15 V

wynosi:

15 mA.

1,5 mA .

1,5 A.

150 mA.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

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

Analizowanie układów elektrycznych i elektronicznych

Zakreśl poprawną odpowiedź

zadania

Odpowiedź

Punkty

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

LITERATURA

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

Bolkowski S.: Elektrotechnika. WSiP, Warszawa 2000

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

Głocki W.: Układy cyfrowe. WSiP, Warszawa 2000

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

Karty katalogowe i dokumentacja typowych urządzeń stosowanych w górnictwie

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

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

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

10.

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

11.

Kurdziel R.: Elektrotechnika. WSiP, Warszawa 1992

12.

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

13.

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

14.

Maszynoznawstwo. WSiP, Warszawa 1993

15.

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

16.

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

17.

Normy dotyczące układów regulacji i sterowania

18.

www.elfa.se

19.